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IGNOU BPHET-141 Solved Question Paper PDF

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IGNOU BPHET-141 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (क) गैलीलियो और आइंस्टीन द्वारा दिए गए आपेक्षिकता के सिद्धान्तों में अंतर लिखिए । (ख) विरामावस्था में स्थित एक मुक्त न्यूट्रॉन का मध्य जीवन काल 900 s मापा जाता है। उस प्रेक्षक द्वारा उसका माध्य जीवन काल क्या मापा जाएगा जिसके सापेक्ष वह न्यूट्रॉन 0.9 c की चाल से गतिमान हो ? (ग) 1.0 MeV इलेक्ट्रॉन की दी-ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य की गणना कीजिए। (घ) तरंग फलन की प्रायिकतात्मक व्याख्या क्या है ? (ङ) x = 0 पर सोपान V₀ > 0 वाले सोपान विभव की परिभाषा दीजिए और उसका चित्र खींचिए। (च) संक्षेप में समझाइए कि परमाण्वीय नाभिक से एल््फा क्षय क्वांटम सुरंगन के कारण किस प्रकार संभव होता है। (छ) रेडियोसक्रियता में चिरस्थायी (Secular) साम्यावस्था क्या होती है? (ज) एक नाभिकीय रिएक्टर में शिम नियंत्रक दंडों और सुरक्षा दंडों के प्रकार्य लिखिए ।
Ans.
(क) गैलीलियो और आइंस्टीन के आपेक्षिकता के सिद्धांतों के बीच अंतर:
गैलीलियो और आइंस्टीन के आपेक्षिकता के सिद्धांत भौतिकी के नियमों का वर्णन करते हैं, लेकिन उनकी मूल धारणाओं में महत्वपूर्ण अंतर हैं।
- गैलीलियो का आपेक्षिकता का सिद्धांत:
- यह मानता है कि भौतिकी के नियम (यांत्रिकी के नियम) सभी जड़त्वीय निर्देश तंत्रों में समान रहते हैं।
- यह मानता है कि समय निरपेक्ष (absolute) है, अर्थात सभी प्रेक्षकों के लिए समय की गति समान होती है।
- वेगों का योग गैलीलियो रूपांतरण के अनुसार होता है (जैसे u’ = u – v)।
- आइंस्टीन का आपेक्षिकता का सिद्धांत (विशिष्ट आपेक्षिकता):
- यह भी मानता है कि भौतिकी के सभी नियम (सिर्फ यांत्रिकी ही नहीं) सभी जड़त्वीय तंत्रों में समान हैं।
- इसका दूसरा अभिगृहीत यह है कि निर्वात में प्रकाश की चाल (c) सभी जड़त्वीय प्रेक्षकों के लिए स्थिर और समान होती है, चाहे स्रोत या प्रेक्षक की गति कुछ भी हो।
- यह मानता है कि समय और स्थान निरपेक्ष नहीं हैं ; वे सापेक्ष हैं और प्रेक्षक की गति पर निर्भर करते हैं (समय विस्तार और लंबाई संकुचन)।
मुख्य अंतर यह है कि आइंस्टीन का सिद्धांत प्रकाश की चाल की स्थिरता को शामिल करता है, जिससे स्थान और समय की हमारी पारंपरिक समझ बदल जाती है, जबकि गैलीलियो का सिद्धांत कम वेगों पर लागू होता है और समय को निरपेक्ष मानता है। (ख) यह समस्या समय विस्तार (time dilation) की अवधारणा पर आधारित है। विशेष आपेक्षिकता के अनुसार, एक गतिमान घड़ी एक स्थिर घड़ी की तुलना में धीमी चलती है।
दिया गया है:
न्यूट्रॉन का उचित माध्य जीवन काल (विरामावस्था में), t₀ = 900 s
न्यूट्रॉन की चाल, v = 0.9 c
समय विस्तार का सूत्र है:
t = γt₀ = t₀ / √(1 – v²/c²)
जहाँ t प्रेक्षक द्वारा मापा गया जीवन काल है।
मान रखने पर:
t = 900 / √(1 – (0.9c)²/c²)
t = 900 / √(1 – 0.81)
t = 900 / √0.19
t = 900 / 0.4359
t ≈ 2064.7 s
अतः, गतिमान न्यूट्रॉन का माध्य जीवन काल लगभग 2064.7 सेकंड मापा जाएगा। (ग) इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा (K) = 1.0 MeV है।
इलेक्ट्रॉन की विराम ऊर्जा (E₀ = m₀c²) लगभग 0.511 MeV होती है। चूंकि दी गई गतिज ऊर्जा विराम ऊर्जा के तुलनीय है, हमें आपेक्षिकीय सूत्रों का उपयोग करना होगा।
इलेक्ट्रॉन की कुल ऊर्जा (E) है:
E = K + E₀ = 1.0 MeV + 0.511 MeV = 1.511 MeV
ऊर्जा-संवेग संबंध से:
E² = (pc)² + (E₀)²
जहाँ p संवेग है।
(pc)² = E² – E₀²
(pc)² = (1.511)² – (0.511)² MeV²
(pc)² = 2.283 – 0.261 MeV² = 2.022 MeV²
pc = √2.022 MeV ≈ 1.422 MeV
अब, दी-ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य (λ) की गणना सूत्र λ = h/p से की जाती है। हम इसे λ = hc/pc के रूप में भी लिख सकते हैं।
h = 6.63 × 10⁻³⁴ Js, c = 3 × 10⁸ m/s
hc = (6.63 × 10⁻³⁴ Js) × (3 × 10⁸ m/s) = 1.989 × 10⁻²⁵ J·m
इसे eV·nm में बदलना सुविधाजनक है: hc ≈ 1240 eV·nm = 1240 × 10⁻³ MeV·nm
pc = 1.422 MeV
λ = (1240 × 10⁻³ MeV·nm) / (1.422 MeV)
λ ≈ 0.872 × 10⁻³ nm
λ ≈ 8.72 × 10⁻¹³ m
अतः, 1.0 MeV इलेक्ट्रॉन की दी-ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य लगभग 8.72 × 10⁻¹³ मीटर है। (घ) क्वांटम यांत्रिकी में, एक कण की अवस्था का वर्णन एक तरंग फलन Ψ(x, t) द्वारा किया जाता है। तरंग फलन की प्रायिकतात्मक व्याख्या मैक्स बोर्न द्वारा दी गई थी। इस व्याख्या के अनुसार:
- तरंग फलन Ψ(x, t) स्वयं एक भौतिक रूप से मापने योग्य राशि नहीं है। यह एक सम्मिश्र (complex) राशि हो सकती है।
- मात्रा |Ψ(x, t)|² = Ψ (x, t)Ψ(x, t) , जहाँ Ψ Ψ का सम्मिश्र संयुग्मी है, प्रायिकता घनत्व (probability density) कहलाती है।
- यह प्रायिकता घनत्व समय t पर, स्थिति x और x + dx के बीच कण को खोजने की प्रायिकता का माप देता है। अर्थात्, P(x, dx) = |Ψ(x, t)|² dx ।
- किसी क्षेत्र में कण को खोजने की कुल प्रायिकता उस क्षेत्र में प्रायिकता घनत्व का समाकलन (integral) करके प्राप्त की जाती है। पूरे स्थान पर कण को खोजने की कुल प्रायिकता 1 होनी चाहिए, जिसे प्रसामान्यीकरण (normalization) की शर्त कहते हैं: ∫|Ψ(x, t)|² dx = 1 (पूरे स्थान पर)।
संक्षेप में, |Ψ|² हमें बताता है कि किसी दिए गए स्थान पर कण के पाए जाने की कितनी संभावना है। (ङ)
सोपान विभव (Step Potential):
सोपान विभव एक सैद्धांतिक विभव है जो एक बिंदु पर अचानक बदल जाता है। इसे गणितीय रूप से इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
V(x) = { 0, यदि x < 0
V(x) = { V₀, यदि x ≥ 0
जहाँ V₀ > 0 एक धनात्मक स्थिरांक है, जिसे सोपान की ऊंचाई कहा जाता है। इसका मतलब है कि x < 0 के क्षेत्र में कण पर कोई बल नहीं लगता है (विभव शून्य है), लेकिन जैसे ही कण x = 0 को पार करता है, वह एक स्थिर प्रतिकारक विभव V₀ का अनुभव करता है।
चित्र:
सोपान विभव का ग्राफ x-अक्ष पर स्थिति (x) और y-अक्ष पर विभव (V(x)) को दर्शाता है।
इस चित्र में, x-अक्ष के ऋणात्मक भाग के लिए विभव शून्य है, और x=0 पर यह अचानक V₀ ऊंचाई तक बढ़ जाता है और x के धनात्मक मानों के लिए स्थिर रहता है। (च)
अल्फा क्षय और क्वांटम सुरंगन (Quantum Tunneling):
अल्फा क्षय वह प्रक्रिया है जिसमें एक भारी, अस्थिर नाभिक एक अल्फा कण (हीलियम नाभिक) उत्सर्जित करके क्षय हो जाता है।
- नाभिक के अंदर, अल्फा कण एक मजबूत नाभिकीय बल द्वारा आकर्षित होता है, लेकिन एक बार जब वह नाभिक से थोड़ा बाहर निकल जाता है, तो शेष नाभिक के धनात्मक आवेश के कारण उस पर एक मजबूत कूलम्ब प्रतिकर्षण बल लगता है।
- यह स्थिति एक विभव रोधिका (potential barrier) बनाती है। अल्फा कण इस रोधिका के अंदर फंसा होता है।
- चिरसम्मत (Classical) भौतिकी के अनुसार, यदि अल्फा कण की ऊर्जा विभव रोधिका की ऊंचाई से कम है, तो वह कभी भी नाभिक से बाहर नहीं निकल सकता।
- क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, कण का वर्णन एक तरंग फलन द्वारा किया जाता है। यह तरंग फलन रोधिका के अंदर शून्य नहीं होता, बल्कि एक क्षयमान घातांकी (decaying exponential) फलन के रूप में रोधिका में प्रवेश करता है।
- चूंकि तरंग फलन रोधिका के दूसरी तरफ भी शून्य नहीं होता है, इसलिए एक गैर-शून्य प्रायिकता होती है कि अल्फा कण रोधिका को “सुरंग” बनाकर पार कर सकता है और नाभिक से बच सकता है, भले ही उसकी ऊर्जा रोधिका की ऊंचाई से कम हो।
इस प्रकार, क्वांटम सुरंगन की घटना अल्फा क्षय की व्याख्या करती है, जो चिरसम्मत भौतिकी द्वारा असंभव है। (छ)
चिरस्थायी साम्यावस्था (Secular Equilibrium):
चिरस्थायी साम्यावस्था एक विशेष प्रकार की रेडियोसक्रिय साम्यावस्था है जो तब होती है जब एक रेडियोसक्रिय श्रृंखला में जनक (parent) नाभिक की अर्ध-आयु (T₁) पुत्री (daughter) नाभिक की अर्ध-आयु (T₂) से बहुत अधिक होती है (T₁ >> T₂)।
इस स्थिति में:
- प्रारंभ में, जनक के क्षय होने से पुत्री नाभिकों की संख्या बढ़ती है, और इस प्रकार पुत्री की सक्रियता (activity) भी बढ़ती है।
- एक समय के बाद (कई पुत्री अर्ध-आयु के बाद), वह दर जिस पर पुत्री नाभिक का क्षय हो रहा है, उस दर के लगभग बराबर हो जाती है जिस पर वह जनक से बन रहा है।
- इस बिंदु पर, पुत्री नाभिक की सक्रियता (A₂) जनक नाभिक की सक्रियता (A₁) के लगभग बराबर हो जाती है और स्थिर दिखाई देती है: A₁ ≈ A₂ .
- जनक की सक्रियता उसकी बहुत लंबी अर्ध-आयु के कारण लगभग स्थिर रहती है। इसलिए, पुत्री की सक्रियता भी जनक की क्षय दर का अनुसरण करती है, और दोनों के बीच का अनुपात समय के साथ स्थिर हो जाता है।
एक क्लासिक उदाहरण यूरेनियम-238 (T₁ ≈ 4.5 अरब वर्ष) और थोरियम-234 (T₂ ≈ 24.1 दिन) के बीच की साम्यावस्था है। (ज) एक नाभिकीय रिएक्टर में, शिम दंड (shim rods) और सुरक्षा दंड (safety rods) दोनों ही न्यूट्रॉन-अवशोषक सामग्री (जैसे कैडमियम या बोरॉन) से बने होते हैं और इनका उपयोग अभिक्रिया दर को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है, लेकिन इनके कार्य अलग-अलग होते हैं।
- शिम नियंत्रक दंड (Shim Rods):
- इनका उपयोग धीमे, मोटे नियंत्रण (coarse control) के लिए किया जाता है।
- ये रिएक्टर के संचालन के दौरान होने वाले दीर्घकालिक परिवर्तनों, जैसे कि ईंधन के जलने (fuel burn-up) या ज़ेनॉन जैसे विखंडन उत्पादों के निर्माण की भरपाई के लिए होते हैं।
- रिएक्टर को चालू करने या बंद करने की प्रक्रिया में भी इन्हें धीरे-धीरे समायोजित किया जाता है।
- सुरक्षा दंड (Safety Rods):
- इनका मुख्य कार्य आपातकालीन स्थिति में रिएक्टर को तेजी से बंद करना है। इस प्रक्रिया को SCRAM कहा जाता है।
- ये दंड सामान्य संचालन के दौरान रिएक्टर कोर से पूरी तरह से बाहर रखे जाते हैं।
- किसी भी असामान्य स्थिति या खतरे का संकेत मिलने पर (जैसे तापमान या दबाव का बहुत अधिक बढ़ जाना), ये दंड गुरुत्वाकर्षण या किसी अन्य तीव्र क्रियाविधि द्वारा तुरंत कोर में गिर जाते हैं।
- कोर में गिरने पर, वे बड़ी संख्या में न्यूट्रॉन को अवशोषित कर लेते हैं, जिससे श्रृंखला अभिक्रिया लगभग तुरंत रुक जाती है और रिएक्टर सुरक्षित हो जाता है।
Q2. (क) सिद्ध कीजिए कि जड़त्वीय तंत्र S में अलग-अलग स्थितियों पर घटने वाली समकालिक घटनाएँ किसी अन्य जड़त्वीय तंत्र S’ में, जो S के सापेक्ष अचर चाल से गतिमान हो, समकालिक नहीं होतीं । (ख) एक अंतरिक्षयान चाल 0.25 c से पृथ्वी से दूर जा रहा है। अंतरिक्षयान में एक प्रेक्षक उसमें रखे स्रोत से आने वाले प्रकाश की तरंगदैर्घ्य 500 nm मापता है। पृथ्वी पर स्थित प्रेक्षक द्वारा मापी गई इस प्रकाश की तरंगदैर्घ्य क्या होगी ? (ग) एक कण की विराम ऊर्जा 1000 MeV है। यदि वह 0.6 c की चाल से गतिमान है, तो उसके रैखिक संवेग और (MeV में) कुल ऊर्जा की गणना कीजिए।
Ans.
(क) समकालिकता की सापेक्षता (Relativity of Simultaneity)
हम सिद्ध करेंगे कि दो घटनाएँ जो एक जड़त्वीय तंत्र S में एक साथ होती हैं, लेकिन अलग-अलग स्थानों पर, वे एक दूसरे जड़त्वीय तंत्र S’ में एक साथ नहीं होंगी जो S के सापेक्ष वेग v से गति कर रहा है।
मान लीजिए तंत्र S में दो घटनाएँ (घटना 1 और घटना 2) होती हैं।
घटना 1 के निर्देशांक S में: (x₁, t₁)
घटना 2 के निर्देशांक S में: (x₂, t₂)
प्रश्न के अनुसार, ये घटनाएँ S में समकालिक (simultaneous) हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक ही समय पर होती हैं:
t₁ = t₂
और वे अलग-अलग स्थानों पर होती हैं:
x₁ ≠ x₂ अब हम इन घटनाओं के समय को तंत्र S’ में देखेंगे, जो S के सापेक्ष x-अक्ष की दिशा में वेग v से गतिमान है। हम समय के लिए लॉरेंत्ज़ रूपांतरण समीकरण का उपयोग करेंगे:
t’ = γ (t – vx/c²)
जहाँ γ = 1 / √(1 – v²/c²) तंत्र S’ में घटना 1 का समय होगा:
t’₁ = γ (t₁ – vx₁/c²)
तंत्र S’ में घटना 2 का समय होगा:
t’₂ = γ (t₂ – vx₂/c²) S’ में इन घटनाओं के बीच समय का अंतर है:
Δt’ = t’₂ – t’₁
Δt’ = γ (t₂ – vx₂/c²) – γ (t₁ – vx₁/c²)
Δt’ = γ [(t₂ – t₁) – (v/c²)(x₂ – x₁)] चूंकि S में घटनाएँ समकालिक हैं, t₁ = t₂, तो (t₂ – t₁) = 0।
इसलिए,
Δt’ = – (γv/c²) (x₂ – x₁) क्योंकि v ≠ 0 और हमने माना है कि x₁ ≠ x₂, इसका मतलब है कि (x₂ – x₁) ≠ 0। साथ ही, γ ≠ 0।
अतः, Δt’ ≠ 0 । इसका अर्थ है कि t’₁ ≠ t’₂, और S’ में दोनों घटनाएँ एक ही समय पर नहीं होती हैं। वे S’ में समकालिक नहीं हैं। यह सिद्ध करता है कि समकालिकता निरपेक्ष नहीं है, बल्कि प्रेक्षक के गति की अवस्था पर निर्भर करती है। (ख) यह समस्या आपेक्षिकीय डॉप्लर प्रभाव (Relativistic Doppler Effect) से संबंधित है। जब प्रकाश का स्रोत प्रेक्षक से दूर जा रहा हो, तो प्रेक्षित तरंगदैर्घ्य (λ_obs) उत्सर्जित तरंगदैर्घ्य (λ_src) से अधिक होती है, जिसे रेडशिफ्ट (redshift) कहते हैं।
दिया गया है:
अंतरिक्षयान की चाल, v = 0.25 c (यह पृथ्वी से दूर जा रहा है)
स्रोत द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की तरंगदैर्घ्य (अंतरिक्षयान में मापी गई), λ_src = 500 nm
हम β = v/c = 0.25 का उपयोग करेंगे। जब स्रोत प्रेक्षक से दूर जाता है, तो आपेक्षिकीय डॉप्लर प्रभाव का सूत्र है:
λ_obs = λ_src * √[(1 + β) / (1 – β)] मान रखने पर:
λ_obs = 500 nm * √[(1 + 0.25) / (1 – 0.25)]
λ_obs = 500 nm * √[1.25 / 0.75]
λ_obs = 500 nm * √[5 / 3]
λ_obs = 500 nm * √1.6667
λ_obs = 500 nm * 1.291
λ_obs ≈ 645.5 nm अतः, पृथ्वी पर स्थित प्रेक्षक द्वारा मापी गई प्रकाश की तरंगदैर्घ्य लगभग 645.5 nm होगी। यह मान उत्सर्जित तरंगदैर्घ्य से अधिक है, जो अपेक्षित रेडशिफ्ट के अनुरूप है। (ग) दिए गए कण के लिए:
विराम ऊर्जा, E₀ = 1000 MeV
कण की चाल, v = 0.6 c सबसे पहले, हम लॉरेंत्ज़ कारक (γ) की गणना करते हैं:
γ = 1 / √(1 – v²/c²)
γ = 1 / √(1 – (0.6c)²/c²)
γ = 1 / √(1 – 0.36)
γ = 1 / √0.64
γ = 1 / 0.8
γ = 1.25
1. कुल ऊर्जा (Total Energy): कण की कुल आपेक्षिकीय ऊर्जा (E) उसकी विराम ऊर्जा (E₀) और लॉरेंत्ज़ कारक (γ) से संबंधित है: E = γE₀ E = 1.25 × 1000 MeV E = 1250 MeV
अतः, कण की कुल ऊर्जा 1250 MeV है।
2. रैखिक संवेग (Linear Momentum): हम आपेक्षिकीय संवेग (p) की गणना ऊर्जा-संवेग संबंध का उपयोग करके कर सकते हैं: E² = (pc)² + E₀² इस समीकरण को p के लिए हल करने पर: (pc)² = E² – E₀² (pc)² = (1250 MeV)² – (1000 MeV)² (pc)² = 1562500 – 1000000 (pc)² = 562500 (MeV)² pc = √562500 MeV pc = 750 MeV
संवेग को आमतौर पर ऊर्जा इकाइयों (MeV/c) में व्यक्त किया जाता है।
अतः, रैखिक संवेग p = 750 MeV/c है। अंतिम उत्तर:
- कुल ऊर्जा = 1250 MeV
- रैखिक संवेग = 750 MeV/c
Q3. (क) द्रव्यमान m और शून्य ऊर्जा वाले एक कण का तरंग फलन है : Ψ(x) = Ne⁻²ˣ, जहाँ N एक अचर है। कण के लिए काल-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण लिखिए और उसकी स्थितिज ऊर्जा की गणना कीजिए । (ख) अनिश्चितता सिद्धान्त का उपयोग करके शून्य बिन्दु ऊर्जा की अवधारणा को समझाइए। (ग) तरंग फलन Ψ(x) = √(2/L) cos(πx/L), 0 < x < L के लिए ⟨x⟩ परिकलित कीजिए।
Ans.
(क) श्रोडिंगर समीकरण और स्थितिज ऊर्जा
दिया गया है:
कण का द्रव्यमान = m
कण की कुल ऊर्जा, E = 0
तरंग फलन, Ψ(x) = Ne⁻²ˣ
एक-विमीय काल-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण (Time-Independent Schrödinger Equation – TISE) है:
(-ħ²/2m) d²Ψ/dx² + V(x)Ψ(x) = EΨ(x) अब, हम दिए गए तरंग फलन का x के सापेक्ष दो बार अवकलन (differentiate) करेंगे:
पहला अवकलज:
dΨ/dx = d/dx (Ne⁻²ˣ) = -2Ne⁻²ˣ दूसरा अवकलज:
d²Ψ/dx² = d/dx (-2Ne⁻²ˣ) = (-2)(-2)Ne⁻²ˣ = 4Ne⁻²ˣ चूंकि Ψ(x) = Ne⁻²ˣ, हम लिख सकते हैं:
d²Ψ/dx² = 4Ψ(x) अब इन मानों (E=0 और d²Ψ/dx²) को TISE में प्रतिस्थापित करें:
(-ħ²/2m) (4Ψ(x)) + V(x)Ψ(x) = (0)Ψ(x)
-2ħ²Ψ(x)/m + V(x)Ψ(x) = 0 दोनों पक्षों से Ψ(x) को (यह मानते हुए कि Ψ(x) शून्य नहीं है) विभाजित करने पर:
-2ħ²/m + V(x) = 0 V(x) के लिए हल करने पर:
V(x) = 2ħ²/m यह परिणाम दर्शाता है कि स्थितिज ऊर्जा V(x) स्थिति x पर निर्भर नहीं करती है; यह एक स्थिर विभव है।
अतः, कण की स्थितिज ऊर्जा V = 2ħ²/m है। (ख) अनिश्चितता सिद्धांत और शून्य बिन्दु ऊर्जा
शून्य-बिन्दु ऊर्जा (Zero-Point Energy) वह न्यूनतम संभव ऊर्जा है जो एक क्वांटम यांत्रिक निकाय के पास हो सकती है, यहाँ तक कि निरपेक्ष शून्य तापमान (0 K) पर भी। यह अवधारणा सीधे हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत से उत्पन्न होती है।
अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, किसी कण की स्थिति (Δx) और संवेग (Δp) में अनिश्चितताओं का गुणनफल एक निश्चित न्यूनतम मान से अधिक या बराबर होना चाहिए:
Δx Δp ≥ ħ/2 अब एक कण पर विचार करें जो एक विभव कूप (potential well) में सीमित है, जैसे कि एक बॉक्स जिसकी लंबाई L है।
- स्थिति में अनिश्चितता: चूंकि कण बॉक्स के अंदर सीमित है, उसकी स्थिति में अधिकतम अनिश्चितता बॉक्स की लंबाई के बराबर हो सकती है, अर्थात Δx ≈ L ।
- संवेग में अनिश्चितता: अनिश्चितता सिद्धांत का उपयोग करते हुए, संवेग में न्यूनतम अनिश्चितता होगी: Δp ≥ ħ / (2Δx) ≈ ħ / (2L) इसका मतलब है कि कण का संवेग ठीक-ठीक शून्य नहीं हो सकता है। यदि संवेग शून्य होता, तो Δp शून्य होता, जो अनिश्चितता सिद्धांत का उल्लंघन करता।
- न्यूनतम गतिज ऊर्जा: कण की गतिज ऊर्जा (K) p²/2m द्वारा दी जाती है। चूंकि कण में एक गैर-शून्य संवेग अनिश्चितता (Δp) होती है, इसका मतलब है कि इसका औसत संवेग शून्य हो सकता है, लेकिन इसका औसत वर्ग संवेग (⟨p²⟩) शून्य नहीं होगा। ⟨p²⟩ का मान कम से कम (Δp)² के क्रम का होगा। इसलिए, न्यूनतम औसत गतिज ऊर्जा होगी: K_min ≈ (Δp)² / 2m ≥ (ħ / (2L))² / 2m = ħ² / (8mL²) यह ऊर्जा शून्य नहीं है।
यह न्यूनतम, गैर-शून्य ऊर्जा ही शून्य-बिन्दु ऊर्जा है। यह क्वांटम प्रभाव का एक शुद्ध परिणाम है जो दर्शाता है कि एक सीमित कण कभी भी पूरी तरह से स्थिर नहीं हो सकता है। उसे हमेशा थोड़ी गतिज ऊर्जा रखनी होगी। (ग) ⟨x⟩ का परिकलन
स्थिति का प्रत्याशा मान (expectation value) ⟨x⟩ निम्न सूत्र द्वारा दिया जाता है:
⟨x⟩ = ∫ Ψ*(x) x Ψ(x) dx
समाकलन की सीमाएं कण के अस्तित्व के क्षेत्र पर होती हैं, जो यहाँ 0 से L तक है।
दिया गया तरंग फलन है:
Ψ(x) = √(2/L) cos(πx/L)
यह एक वास्तविक फलन है, इसलिए Ψ*(x) = Ψ(x)। ⟨x⟩ के सूत्र में मान रखने पर:
⟨x⟩ = ∫₀ᴸ [√(2/L) cos(πx/L)] x [√(2/L) cos(πx/L)] dx
⟨x⟩ = (2/L) ∫₀ᴸ x cos²(πx/L) dx समाकलन को हल करने के लिए, हम त्रिकोणमितीय पहचान cos²(θ) = (1 + cos(2θ))/2 का उपयोग करते हैं।
यहाँ θ = πx/L, तो cos²(πx/L) = (1 + cos(2πx/L))/2।
⟨x⟩ = (2/L) ∫₀ᴸ x [(1 + cos(2πx/L))/2] dx
⟨x⟩ = (1/L) ∫₀ᴸ [x + x cos(2πx/L)] dx
⟨x⟩ = (1/L) [∫₀ᴸ x dx + ∫₀ᴸ x cos(2πx/L) dx] अब हम दोनों समाकलनों को अलग-अलग हल करते हैं:
पहला समाकलन:
∫₀ᴸ x dx = [x²/2]₀ᴸ = L²/2
दूसरा समाकलन: (खंडशः समाकलन (integration by parts) का उपयोग करके)
∫ u dv = uv – ∫ v du
मान लीजिए u = x (⇒ du = dx) और dv = cos(2πx/L) dx
v = ∫ cos(2πx/L) dx = (L/2π) sin(2πx/L)
∫₀ᴸ x cos(2πx/L) dx = [x (L/2π) sin(2πx/L)]₀ᴸ – ∫₀ᴸ (L/2π) sin(2πx/L) dx
= [ (L²/2π) sin(2π) – 0 ] – (L/2π) [(-L/2π) cos(2πx/L)]₀ᴸ
= 0 – (L/2π) [-L/2π (cos(2π) – cos(0))]
= (L²/4π²) [1 – 1] = 0 दोनों परिणामों को वापस ⟨x⟩ के समीकरण में रखने पर:
⟨x⟩ = (1/L) [L²/2 + 0]
⟨x⟩ = L/2
वैकल्पिक रूप से: दिए गए तरंग फलन का प्रायिकता घनत्व |Ψ(x)|² = (2/L)cos²(πx/L) x=L/2 के परितः सममित (symmetric) है। जब भी प्रायिकता घनत्व किसी बिंदु के परितः सममित होता है, तो प्रत्याशा मान वही बिंदु होता है। इसलिए, बिना गणना के भी, हम यह अनुमान लगा सकते थे कि ⟨x⟩ = L/2 होगा।
Q4. (क) ऊंचाई V₀ और चौड़ाई a वाली एकविम विभव रोधिका में स्थित द्रव्यमान m वाले कण के लिए काल-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण लिखिए। इस समीकरण के हल प्राप्त कीजिए जब कण की ऊर्जा E > V₀ हो। इस समस्या के लिए परिसीमा प्रतिबंध लिखिए । (ख) सिद्ध कीजिए कि एक सममित विभव फलन [V(x) = V(-x)] के लिए समता संकारक हैमिल्टोनियन के साथ कम्यूट करता है।
Ans.
(क) विभव रोधिका (Potential Barrier) E > V₀
एक-विमीय विभव रोधिका को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
V(x) = { V₀, यदि 0 < x < a
V(x) = { 0, यदि x ≤ 0 (क्षेत्र I) और x ≥ a (क्षेत्र III)
जहाँ V₀ रोधिका की ऊंचाई और a उसकी चौड़ाई है। हम उस स्थिति पर विचार कर रहे हैं जहाँ कण की ऊर्जा E रोधिका की ऊंचाई से अधिक है (E > V₀)।
1. काल-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण (TISE): कण के लिए सामान्य TISE है: d²Ψ/dx² + (2m/ħ²) [E – V(x)] Ψ(x) = 0
हम इस समीकरण को तीन क्षेत्रों में हल करेंगे:
- क्षेत्र I (x < 0): यहाँ V(x) = 0 है। TISE बन जाता है: d²Ψ₁/dx² + (2mE/ħ²) Ψ₁ = 0 इसे d²Ψ₁/dx² + k₁² Ψ₁ = 0 के रूप में लिखा जा सकता है, जहाँ k₁ = √(2mE)/ħ । इसका सामान्य हल है: Ψ₁(x) = A e^(ik₁x) + B e^(-ik₁x) (A e^(ik₁x) आपतित तरंग को और B e^(-ik₁x) परावर्तित तरंग को दर्शाता है)।
- क्षेत्र II (0 < x & a): यहाँ V(x) = V₀ है। TISE बन जाता है: d²Ψ₂/dx² + (2m(E – V₀)/ħ²) Ψ₂ = 0 इसे d²Ψ₂/dx² + k₂² Ψ₂ = 0 के रूप में लिखा जा सकता है, जहाँ k₂ = √(2m(E – V₀))/ħ । (चूंकि E > V₀, k₂ वास्तविक है)। इसका सामान्य हल है: Ψ₂(x) = C e^(ik₂x) + D e^(-ik₂x)
- क्षेत्र III (x > a): यहाँ V(x) = 0 है, जो क्षेत्र I के समान है। TISE है: d²Ψ₃/dx² + (2mE/ħ²) Ψ₃ = 0 या d²Ψ₃/dx² + k₁² Ψ₃ = 0 इसका सामान्य हल है: Ψ₃(x) = F e^(ik₁x) + G e^(-ik₁x) चूंकि क्षेत्र III में दाईं ओर से कोई कण नहीं आ रहा है, इसलिए कोई परावर्तित तरंग नहीं हो सकती है। अतः, G = 0। Ψ₃(x) = F e^(ik₁x) (F e^(ik₁x) पारगमित (transmitted) तरंग को दर्शाता है)।
2. परिसीमा प्रतिबंध (Boundary Conditions): भौतिक रूप से स्वीकार्य होने के लिए, तरंग फलन Ψ(x) और उसके पहले अवकलज dΨ/dx को सभी जगह, विशेष रूप से उन बिंदुओं पर जहाँ विभव बदलता है (x=0 और x=a), सतत (continuous) होना चाहिए। यह हमें निम्नलिखित चार परिसीमा प्रतिबंध देता है:
- x = 0 पर Ψ की निरंतरता: Ψ₁(0) = Ψ₂(0) ⇒ A + B = C + D
- x = 0 पर dΨ/dx की निरंतरता: dΨ₁/dx|ₓ=₀ = dΨ₂/dx|ₓ=₀ ⇒ ik₁(A – B) = ik₂(C – D)
- x = a पर Ψ की निरंतरता: Ψ₂(a) = Ψ₃(a) ⇒ C e^(ik₂a) + D e^(-ik₂a) = F e^(ik₁a)
- x = a पर dΨ/dx की निरंतरता: dΨ₂/dx|ₓ=ₐ = dΨ₃/dx|ₓ=ₐ ⇒ ik₂(C e^(ik₂a) – D e^(-ik₂a)) = ik₁F e^(ik₁a)
इन चार समीकरणों का उपयोग गुणांकों B, C, D, और F को आपतित तरंग के आयाम A के संदर्भ में हल करने के लिए किया जा सकता है, जिससे परावर्तन और पारगमन गुणांक की गणना की जा सकती है। (ख) समता संकारक और हैमिल्टोनियन
हमें यह सिद्ध करना है कि एक सममित विभव फलन [V(x) = V(-x)] के लिए, समता संकारक (Parity Operator) P, हैमिल्टोनियन संकारक (Hamiltonian Operator) H के साथ कम्यूट (commute) करता है।
अर्थात्, हमें सिद्ध करना है: [P, H] = 0 , या PH = HP ।
संकारकों की परिभाषा:
- हैमिल्टोनियन संकारक (H): एक-विमीय प्रणाली के लिए, H गतिज ऊर्जा और स्थितिज ऊर्जा संकारकों का योग है। H = T + V = (-ħ²/2m) d²/dx² + V(x)
- समता संकारक (P): यह संकारक किसी फलन f(x) पर कार्य करके x को -x से प्रतिस्थापित करता है। P f(x) = f(-x)
कम्यूटेटर [P, H] का मूल्यांकन:
यह देखने के लिए कि क्या P और H कम्यूट करते हैं, हम उनके कम्यूटेटर [P, H] को एक मनमाने परीक्षण फलन Ψ(x) पर लागू करते हैं:
[P, H] Ψ(x) = (PH – HP) Ψ(x) = PHΨ(x) – HPΨ(x) हम दोनों पदों का अलग-अलग मूल्यांकन करते हैं:
पहला पद: PHΨ(x)
पहले H को Ψ(x) पर लागू करें, फिर P को परिणाम पर लागू करें।
HΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(x)/dx² + V(x)Ψ(x)
PHΨ(x) = P [(-ħ²/2m) d²Ψ(x)/dx² + V(x)Ψ(x)]
संकारक P की रैखिकता का उपयोग करते हुए:
PHΨ(x) = (-ħ²/2m) P(d²Ψ(x)/dx²) + P(V(x)Ψ(x))
अब, P लागू करें (x को -x से बदलें):
P(d²Ψ(x)/dx²) = d²Ψ(-x)/d(-x)² = d²Ψ(-x)/dx² (क्योंकि (-x)² = x²)
P(V(x)Ψ(x)) = V(-x)Ψ(-x)
तो, PHΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(-x)Ψ(-x)
दूसरा पद: HPΨ(x)
पहले P को Ψ(x) पर लागू करें, फिर H को परिणाम पर लागू करें।
PΨ(x) = Ψ(-x)
HPΨ(x) = H[Ψ(-x)]
अब H को Ψ(-x) पर लागू करें:
H[Ψ(-x)] = (-ħ²/2m) d²/dx² [Ψ(-x)] + V(x) [Ψ(-x)]
HPΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(x)Ψ(-x)
तुलना:
अब हम PHΨ(x) और HPΨ(x) के व्यंजकों की तुलना करते हैं।
PHΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(-x) Ψ(-x)
HPΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(x) Ψ(-x) ये दोनों व्यंजक तभी बराबर होंगे जब V(-x) = V(x) हो।
प्रश्न में दिया गया है कि विभव सममित है, अर्थात V(x) = V(-x)।
इस शर्त के तहत, PHΨ(x) = HPΨ(x) हो जाता है।
चूंकि यह किसी भी मनमाने फलन Ψ(x) के लिए सत्य है, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि संकारक स्वयं बराबर हैं:
PH = HP
या, [P, H] = PH – HP = 0 अतः, एक सममित विभव के लिए समता संकारक हैमिल्टोनियन के साथ कम्यूट करता है। इसका एक महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि सममित विभव में ऊर्जा आइगनफलन (eigenfunctions) को निश्चित समता (या तो सम या विषम) वाले फलन के रूप में चुना जा सकता है।
Q5. (क) एक रेडियोएक्टिव पदार्थ की ‘सक्रियता’ की परिभाषा दीजिए। एक तत्व की अर्ध आयु 6.93 दिन है। कितने दिनों के बाद उस तत्व का केवल 10% भाग बचा रह जायेगा ? (ख) अर्ध-अनुभवजन्य द्रव्यमान सूत्र का उपयोग करके ⁴He नाभिक की बंधन ऊर्जा परिकलित कीजिए। a = 15.8, β = 17.8, γ = 23.7, δ = 0.71 और ε = 34 लीजिए। (ग) समझाइए कि नाभिकीय रिएक्टर में स्वपोषी विखंडन शृंखला अभिक्रिया किस प्रकार प्राप्त की जाती है।
Ans.
(क) सक्रियता और रेडियोधर्मी क्षय
सक्रियता (Activity):
किसी रेडियोएक्टिव नमूने की सक्रियता (A) उस नमूने में प्रति इकाई समय में होने वाले क्षय की दर के रूप में परिभाषित की जाती है। यदि किसी समय t पर नमूने में N रेडियोधर्मी नाभिक हैं और क्षय नियतांक λ है, तो सक्रियता इस प्रकार दी जाती है:
A = -dN/dt = λN
सक्रियता की SI इकाई बेकेरल (Bq) है, जहाँ 1 Bq = 1 क्षय प्रति सेकंड। एक अन्य आम इकाई क्यूरी (Ci) है, जहाँ 1 Ci = 3.7 × 10¹⁰ Bq।
गणना:
दिया गया है:
अर्ध-आयु, T₁/₂ = 6.93 दिन
हमें वह समय (t) ज्ञात करना है जब तत्व का 10% भाग बचा रह जाए।
इसका मतलब है, N(t) / N₀ = 10/100 = 0.1, जहाँ N₀ प्रारंभिक नाभिकों की संख्या है और N(t) समय t पर बचे हुए नाभिकों की संख्या है। सबसे पहले, हम क्षय नियतांक (λ) की गणना करते हैं:
λ = 0.693 / T₁/₂
λ = 0.693 / 6.93 दिन
λ = 0.1 दिन⁻¹ अब, रेडियोधर्मी क्षय के नियम का उपयोग करें:
N(t) = N₀ e^(-λt)
N(t) / N₀ = e^(-λt)
0.1 = e^(-0.1 * t) t का मान ज्ञात करने के लिए दोनों पक्षों का प्राकृतिक लघुगणक (natural logarithm) लें:
ln(0.1) = -0.1 * t
हम जानते हैं कि ln(0.1) = ln(1/10) = -ln(10) ≈ -2.303।
-2.303 = -0.1 * t
t = -2.303 / -0.1
t = 23.03 दिन अतः, 23.03 दिनों के बाद तत्व का केवल 10% भाग बचा रह जाएगा। (ख) अर्ध-अनुभवजन्य द्रव्यमान सूत्र (SEMF) से बंधन ऊर्जा
अर्ध-अनुभवजन्य द्रव्यमान सूत्र (Semi-Empirical Mass Formula – SEMF) एक नाभिक की बंधन ऊर्जा (B) का अनुमान देता है:
B(A, Z) = a_vA – a_sA²/³ – a_c Z(Z-1)/A¹/³ – a_a (A-2Z)²/A + δ_p
दिए गए गुणांकों को मानक पदों से मिलाते हुए (α=a_v, β=a_s, δ=a_c, γ=a_a, ε=a_p):
- आयतन पद गुणांक, a_v (α) = 15.8 MeV
- पृष्ठ पद गुणांक, a_s (β) = 17.8 MeV
- कूलम्ब पद गुणांक, a_c (δ) = 0.71 MeV
- असममिति पद गुणांक, a_a (γ) = 23.7 MeV
- युग्मन पद गुणांक, a_p (ε) = 34 MeV
हमें ⁴He नाभिक (अल्फा कण) के लिए बंधन ऊर्जा की गणना करनी है:
द्रव्यमान संख्या, A = 4
परमाणु क्रमांक, Z = 2
न्यूट्रॉन संख्या, N = A – Z = 2 अब हम प्रत्येक पद की गणना करते हैं:
1. आयतन ऊर्जा: E_v = a_v * A = 15.8 × 4 = 63.2 MeV
2. पृष्ठ ऊर्जा: E_s = -a_s * A²/³ = -17.8 × (4)²/³ = -17.8 × 2.5198 ≈ -44.85 MeV
3. कूलम्ब ऊर्जा: E_c = -a_c * Z(Z-1)/A¹/³ = -0.71 × 2(2-1)/(4)¹/³ = -0.71 × 2 / 1.5874 ≈ -0.89 MeV
4. असममिति ऊर्जा: E_a = -a_a * (A-2Z)²/A = -23.7 × (4 – 2×2)² / 4 = -23.7 × (0)² / 4 = 0 MeV
5. युग्मन ऊर्जा (Pairing Energy): ⁴He एक सम-सम (even-even) नाभिक है (Z=2, N=2)। सम-सम नाभिकों के लिए युग्मन पद धनात्मक होता है। मानक रूप `+a_p/A^(1/2)` या `+a_p/A^(3/4)` है। दिए गए मानों के साथ `+a_p/A^(3/4)` सबसे अच्छा परिणाम देता है।
δ_p = +a_p / A³/⁴ = +34 / (4)³/⁴ = +34 / (2²)³/⁴ = +34 / 2¹·⁵ = +34 / 2.828 ≈ +12.02 MeV
कुल बंधन ऊर्जा (B):
B = E_v + E_s + E_c + E_a + δ_p
B = 63.2 – 44.85 – 0.89 + 0 + 12.02
B ≈ 29.48 MeV अतः, अर्ध-अनुभवजन्य द्रव्यमान सूत्र का उपयोग करके ⁴He नाभिक की अनुमानित बंधन ऊर्जा लगभग 29.5 MeV है। (यह प्रयोगात्मक मान 28.3 MeV के काफी करीब है)। (ग) स्वपोषी विखंडन शृंखला अभिक्रिया
एक नाभिकीय रिएक्टर में एक स्वपोषी (self-sustained) विखंडन शृंखला अभिक्रिया का अर्थ है एक ऐसी प्रक्रिया स्थापित करना जिसमें विखंडन की दर स्थिर बनी रहे, जिससे एक नियंत्रित और निरंतर ऊर्जा उत्पादन हो सके। यह निम्नलिखित प्रमुख घटकों और सिद्धांतों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है:
1. विखंडन (Fission): प्रक्रिया तब शुरू होती है जब एक विखंडनीय नाभिक, जैसे यूरेनियम-235 (²³⁵U) , एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है। यह इसे एक अस्थिर अवस्था में ले जाता है, और यह दो या अधिक छोटे नाभिकों (विखंडन उत्पादों) में विभाजित हो जाता है, साथ ही बड़ी मात्रा में ऊर्जा और औसतन 2 से 3 नए न्यूट्रॉन उत्सर्जित करता है।
2. शृंखला अभिक्रिया (Chain Reaction): एक विखंडन घटना से उत्पन्न न्यूट्रॉन अन्य ²³⁵U नाभिकों में विखंडन को प्रेरित कर सकते हैं। यदि, औसतन, इन नए न्यूट्रॉनों में से कम से कम एक एक और विखंडन घटना का कारण बनता है, तो अभिक्रिया अपने आप जारी रहेगी।
3. न्यूट्रॉन गुणन कारक (k): एक शृंखला अभिक्रिया की स्थिति का वर्णन गुणन कारक (k) द्वारा किया जाता है: k = (एक पीढ़ी में विखंडन की संख्या) / (पिछली पीढ़ी में विखंडन की संख्या)
- k < 1 (उप-क्रांतिक): प्रत्येक पीढ़ी में कम न्यूट्रॉन विखंडन का कारण बनते हैं। अभिक्रिया धीमी होकर रुक जाती है।
- k > 1 (अति-क्रांतिक): प्रत्येक पीढ़ी में अधिक न्यूट्रॉन विखंडन का कारण बनते हैं। अभिक्रिया तेजी से बढ़ती है (परमाणु बम का सिद्धांत)।
- k = 1 (क्रांतिक): अभिक्रिया दर स्थिर है। प्रत्येक विखंडन से औसतन एक न्यूट्रॉन एक और विखंडन का कारण बनता है। यह एक रिएक्टर में वांछित स्वपोषी अवस्था है।
4. k=1 प्राप्त करना:
- मंदक (Moderator): विखंडन में उत्पन्न न्यूट्रॉन बहुत तेज (उच्च ऊर्जा वाले) होते हैं। ²³⁵U तापीय (धीमे) न्यूट्रॉनों को अवशोषित करने में बहुत अधिक प्रभावी है। मंदक (जैसे भारी पानी, साधारण पानी, या ग्रेफाइट) न्यूट्रॉनों को उनसे टकराकर धीमा कर देता है ताकि वे अधिक कुशलता से विखंडन का कारण बन सकें।
- नियंत्रण छड़ें (Control Rods): ये बोरॉन या कैडमियम जैसी न्यूट्रॉन-अवशोषित सामग्री से बनी होती हैं। इन्हें रिएक्टर कोर में अंदर या बाहर ले जाकर, अतिरिक्त न्यूट्रॉनों को अवशोषित किया जा सकता है, जिससे k का मान ठीक 1 पर समायोजित और बनाए रखा जा सकता है।
- क्रांतिक द्रव्यमान (Critical Mass): शृंखला अभिक्रिया को बनाए रखने के लिए पर्याप्त मात्रा में विखंडनीय सामग्री (जैसे ²³⁵U) की आवश्यकता होती है ताकि न्यूट्रॉन के कोर से बाहर निकलने की दर की तुलना में विखंडन की दर अधिक हो।
इन तंत्रों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, एक नाभिकीय रिएक्टर एक स्थिर, स्वपोषी शृंखला अभिक्रिया प्राप्त करता है, जो एक नियंत्रित दर पर लगातार ऊर्जा का उत्पादन करती है।
IGNOU BPHET-141 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Distinguish between Galilean and Einsteinian principles of relativity. (b) The mean life time of a free neutron at rest is measured to be 900 s. What is its mean life time measured by an observer with respect to whom the neutron travels at a speed of 0.9 c ? (c) Calculate the de Broglie’s wavelength of a 1.0 MeV electron. (d) What is the probabilistic interpretation of the wave function ? (e) Define and draw a step potential of step V₀>0 at x=0. (f) Explain briefly how quantum tunneling enables alpha decay from the atomic nucleus. (g) What is secular equilibrium in radioactivity ? (h) Write the functions of shim rods and safety rods in a nuclear reactor.
Ans. (a) Distinction between Galilean and Einsteinian Principles of Relativity: Both Galilean and Einsteinian principles of relativity describe the laws of physics in different reference frames, but they are based on fundamentally different postulates.
- Galilean Principle of Relativity:
- It states that the laws of mechanics are the same in all inertial frames of reference.
- It assumes that time is absolute , meaning it flows at the same rate for all observers, regardless of their motion.
- Velocities add up according to Galilean transformation (e.g., u’ = u – v).
- Einsteinian Principle of Relativity (Special Relativity):
- It extends the principle to all laws of physics (not just mechanics), stating they are the same in all inertial frames.
- Its second postulate is the constancy of the speed of light . The speed of light in a vacuum (c) is the same for all inertial observers, irrespective of the motion of the source or the observer.
- It deduces that space and time are not absolute ; they are relative and depend on the observer’s motion (leading to phenomena like time dilation and length contraction).
The key difference is Einstein’s inclusion of the constancy of the speed of light, which revolutionizes the classical concepts of space and time, whereas Galileo’s principle is a low-velocity approximation and treats time as absolute.
(b) This problem involves the concept of time dilation . According to special relativity, a moving clock runs slower as measured by a stationary observer. Given: Proper mean lifetime of the neutron (at rest), t₀ = 900 s Speed of the neutron, v = 0.9 c The formula for time dilation is: t = γt₀ = t₀ / √(1 – v²/c²) where t is the lifetime measured by the observer. Substituting the values: t = 900 / √(1 – (0.9c)²/c²) t = 900 / √(1 – 0.81) t = 900 / √0.19 t = 900 / 0.4359 t ≈ 2064.7 s Thus, the mean lifetime of the moving neutron as measured by the observer will be approximately 2064.7 seconds .
(c) The kinetic energy (K) of the electron is 1.0 MeV. The rest energy of an electron (E₀ = m₀c²) is approximately 0.511 MeV. Since the given kinetic energy is comparable to the rest energy, we must use relativistic formulas. The total energy (E) of the electron is: E = K + E₀ = 1.0 MeV + 0.511 MeV = 1.511 MeV From the energy-momentum relation: E² = (pc)² + (E₀)² where p is the momentum. (pc)² = E² – E₀² (pc)² = (1.511)² – (0.511)² MeV² (pc)² = 2.283 – 0.261 MeV² = 2.022 MeV² pc = √2.022 MeV ≈ 1.422 MeV Now, the de Broglie wavelength (λ) is given by λ = h/p . We can rewrite this as λ = hc/pc . h = 6.63 × 10⁻³⁴ Js, c = 3 × 10⁸ m/s It is convenient to use the value hc ≈ 1240 eV·nm = 1240 × 10⁻³ MeV·nm. pc = 1.422 MeV λ = (1240 × 10⁻³ MeV·nm) / (1.422 MeV) λ ≈ 0.872 × 10⁻³ nm λ ≈ 8.72 × 10⁻¹³ m So, the de Broglie wavelength of the 1.0 MeV electron is approximately 8.72 × 10⁻¹³ meters .
(d) In quantum mechanics, the state of a particle is described by a wave function, Ψ(x, t) . The probabilistic interpretation of the wave function was proposed by Max Born. According to this interpretation:
- The wave function Ψ(x, t) itself is not a physically measurable quantity. It can be a complex quantity.
- The quantity |Ψ(x, t)|² = Ψ (x, t)Ψ(x, t) , where Ψ is the complex conjugate of Ψ, is called the probability density .
- This probability density gives a measure of the probability of finding the particle between position x and x + dx at time t. That is, P(x, dx) = |Ψ(x, t)|² dx .
- The total probability of finding the particle in a certain region is obtained by integrating the probability density over that region. The total probability of finding the particle anywhere in space must be 1, which is the normalization condition: ∫|Ψ(x, t)|² dx = 1 (over all space).
In short, |Ψ|² tells us how likely it is to find the particle at a given location.
(e) Step Potential: A step potential is a theoretical potential that changes abruptly at a single point. It is mathematically defined as: V(x) = { 0, for x < 0 V(x) = { V₀, for x ≥ 0 where V₀ > 0 is a positive constant, called the height of the step. This means a particle feels no force (zero potential) in the region x < 0, but as soon as it crosses x = 0, it experiences a constant repulsive potential V₀. Drawing: The graph of the step potential plots position (x) on the x-axis and potential (V(x)) on the y-axis.
In this figure, the potential is zero for the negative part of the x-axis, and at x=0, it abruptly rises to a height V₀ and remains constant for all positive values of x.
(f) Alpha Decay and Quantum Tunneling: Alpha decay is the process where a heavy, unstable nucleus decays by emitting an alpha particle (a helium nucleus).
- Inside the nucleus, the alpha particle is attracted by the strong nuclear force, but once it is just outside the nucleus, it is strongly repelled by the Coulomb force from the positive charge of the remaining nucleus.
- This situation creates a potential barrier . The alpha particle is trapped inside this barrier.
- According to classical physics, if the alpha particle’s energy is less than the height of the potential barrier, it can never escape the nucleus.
- According to quantum mechanics, the particle is described by a wave function. This wave function is not zero inside the barrier but penetrates into it as a decaying exponential function.
- Because the wave function is non-zero on the other side of the barrier as well, there is a non-zero probability that the alpha particle can “tunnel” through the barrier and escape the nucleus, even though its energy is less than the barrier height.
Thus, the phenomenon of quantum tunneling explains alpha decay, which is impossible according to classical physics.
(g) Secular Equilibrium: Secular equilibrium is a special type of radioactive equilibrium that occurs in a decay chain when the half-life of the parent nucleus (T₁) is much, much longer than the half-life of the daughter nucleus (T₂) (i.e., T₁ >> T₂) . In this situation:
- Initially, the number of daughter nuclei builds up as the parent decays, and so the activity of the daughter increases.
- After a certain time (several daughter half-lives), the rate at which the daughter is decaying becomes almost equal to the rate at which it is being produced by the parent.
- At this point, the activity of the daughter (A₂) becomes nearly equal to the activity of the parent (A₁): A₁ ≈ A₂ .
- Because the parent’s half-life is so long, its activity remains almost constant over the timescale of the experiment. Therefore, the daughter’s activity also appears constant, tracking the decay rate of the parent. The ratio of their activities becomes constant.
A classic example is the equilibrium between Uranium-238 (T₁ ≈ 4.5 billion years) and Thorium-234 (T₂ ≈ 24.1 days).
(h) In a nuclear reactor, shim rods and safety rods are both made of neutron-absorbing material (like cadmium or boron) and are used to control the reaction rate, but they have distinct functions.
- Shim Rods:
- These are used for slow, coarse control of the reactor’s power level.
- They are designed to compensate for long-term changes in reactivity during operation, such as fuel burn-up or the build-up of fission product poisons like Xenon.
- They are also adjusted slowly during the process of starting up or shutting down the reactor.
- Safety Rods:
- Their primary function is to provide for a rapid emergency shutdown of the reactor, a procedure known as a SCRAM .
- These rods are held completely out of the reactor core during normal operation.
- Upon any sign of an abnormal or dangerous condition (like a sudden rise in temperature or pressure), these rods are instantly dropped or driven into the core by gravity or another fast-acting mechanism.
- By inserting a large amount of neutron-absorbing material, they absorb a massive number of neutrons, shutting down the chain reaction almost immediately and making the reactor safe.
Q2. (a) Show that simultaneous events that occur in an inertial frame of reference S at different positions are not simultaneous in another inertial frame of reference S’ moving uniformly with respect to S. (b) A spaceship is receding from the Earth at a speed of 0.25 c. An observer in the spaceship measures the wavelength of light from a source in it as 500 nm. What is the wavelength of this light as measured by an observer on the Earth ? (c) The rest energy of a particle is 1000 MeV. Calculate its linear momentum and total energy (in MeV) given that it travels at a speed of 0.6 c.
Ans. (a) Relativity of Simultaneity We want to prove that two events that are simultaneous in one inertial frame S, but occur at different locations, will not be simultaneous in another inertial frame S’ moving at a constant velocity v with respect to S. Let’s consider two events (Event 1 and Event 2) in frame S. Coordinates of Event 1 in S: (x₁, t₁) Coordinates of Event 2 in S: (x₂, t₂)
According to the problem, the events are simultaneous in S, which means they occur at the same time: t₁ = t₂ And they occur at different positions: x₁ ≠ x₂
Now, let’s find the times of these events in frame S’, which is moving with velocity v along the x-axis relative to S. We use the Lorentz transformation equation for time: t’ = γ (t – vx/c²) where γ = 1 / √(1 – v²/c²)
The time of Event 1 in frame S’ will be: t’₁ = γ (t₁ – vx₁/c²) The time of Event 2 in frame S’ will be: t’₂ = γ (t₂ – vx₂/c²)
The time difference between these events in S’ is: Δt’ = t’₂ – t’₁ Δt’ = γ (t₂ – vx₂/c²) – γ (t₁ – vx₁/c²) Δt’ = γ [(t₂ – t₁) – (v/c²)(x₂ – x₁)]
Since the events are simultaneous in S, t₁ = t₂, so (t₂ – t₁) = 0. Therefore, Δt’ = – (γv/c²) (x₂ – x₁)
Because v ≠ 0 and we have assumed that x₁ ≠ x₂, it means that (x₂ – x₁) ≠ 0. Also, γ ≠ 0. Thus, Δt’ ≠ 0 .
This means that t’₁ ≠ t’₂, and the two events do not occur at the same time in S’. They are not simultaneous in S’. This proves that simultaneity is not absolute but depends on the observer’s state of motion.
(b) This problem relates to the Relativistic Doppler Effect . When the source of light is moving away from the observer, the observed wavelength (λ_obs) is longer than the emitted wavelength (λ_src), a phenomenon known as redshift. Given: Speed of the spaceship, v = 0.25 c (receding from Earth) Wavelength of light emitted by the source (measured in the spaceship), λ_src = 500 nm We will use β = v/c = 0.25.
The formula for the relativistic Doppler effect when the source is receding from the observer is: λ_obs = λ_src * √[(1 + β) / (1 – β)]
Substituting the values: λ_obs = 500 nm * √[(1 + 0.25) / (1 – 0.25)] λ_obs = 500 nm * √[1.25 / 0.75] λ_obs = 500 nm * √[5 / 3] λ_obs = 500 nm * √1.6667 λ_obs = 500 nm * 1.291 λ_obs ≈ 645.5 nm
Therefore, the wavelength of the light as measured by an observer on Earth would be approximately 645.5 nm . This value is longer than the emitted wavelength, consistent with the expected redshift.
(c) For the given particle: Rest energy, E₀ = 1000 MeV Speed of the particle, v = 0.6 c
First, let’s calculate the Lorentz factor (γ): γ = 1 / √(1 – v²/c²) γ = 1 / √(1 – (0.6c)²/c²) γ = 1 / √(1 – 0.36) γ = 1 / √0.64 γ = 1 / 0.8 γ = 1.25
1. Total Energy: The total relativistic energy (E) of the particle is related to its rest energy (E₀) and the Lorentz factor (γ) by: E = γE₀ E = 1.25 × 1000 MeV E = 1250 MeV
So, the total energy of the particle is 1250 MeV .
2. Linear Momentum: We can calculate the relativistic momentum (p) using the energy-momentum relation: E² = (pc)² + E₀² Solving for p: (pc)² = E² – E₀² (pc)² = (1250 MeV)² – (1000 MeV)² (pc)² = 1,562,500 – 1,000,000 (pc)² = 562,500 (MeV)² pc = √562,500 MeV pc = 750 MeV
Momentum is often expressed in units of energy divided by c (MeV/c). Therefore, the linear momentum is p = 750 MeV/c .
Final answer:
- Total Energy = 1250 MeV
- Linear Momentum = 750 MeV/c
Q3. (a) The wave function of a particle of mass m and zero energy is given by : Ψ(x) = Ne⁻²ˣ, where N is a constant. Write down the time-independent Schrödinger equation for the particle and determine its potential energy. (b) Use the uncertainty principle to explain the concept of zero-point energy. (c) Calculate ⟨x⟩ for the wave function Ψ(x) = √(2/L) cos(πx/L), 0 < x < L.
Ans. (a) Schrödinger Equation and Potential Energy Given: Mass of the particle = m Total energy of the particle, E = 0 Wave function, Ψ(x) = Ne⁻²ˣ
The one-dimensional Time-Independent Schrödinger Equation (TISE) is: (-ħ²/2m) d²Ψ/dx² + V(x)Ψ(x) = EΨ(x)
First, we need to differentiate the given wave function twice with respect to x: First derivative: dΨ/dx = d/dx (Ne⁻²ˣ) = -2Ne⁻²ˣ
Second derivative: d²Ψ/dx² = d/dx (-2Ne⁻²ˣ) = (-2)(-2)Ne⁻²ˣ = 4Ne⁻²ˣ
Since Ψ(x) = Ne⁻²ˣ, we can write: d²Ψ/dx² = 4Ψ(x)
Now substitute these values (E=0 and the second derivative) into the TISE: (-ħ²/2m) (4Ψ(x)) + V(x)Ψ(x) = (0)Ψ(x) -2ħ²Ψ(x)/m + V(x)Ψ(x) = 0
Dividing through by Ψ(x) (assuming Ψ(x) is non-zero): -2ħ²/m + V(x) = 0
Solving for V(x): V(x) = 2ħ²/m
This result shows that the potential energy V(x) does not depend on position x; it is a constant potential . Therefore, the potential energy of the particle is V = 2ħ²/m .
(b) Uncertainty Principle and Zero-Point Energy Zero-Point Energy is the lowest possible energy that a quantum mechanical system may have, even at absolute zero temperature (0 K). This concept arises directly from the Heisenberg Uncertainty Principle.
The Uncertainty Principle states that the product of the uncertainties in a particle’s position (Δx) and momentum (Δp) must be greater than or equal to a certain minimum value: Δx Δp ≥ ħ/2
Now, consider a particle confined within a potential well, such as a box of length L.
- Uncertainty in Position: Since the particle is confined within the box, the maximum uncertainty in its position can be no more than the length of the box, i.e., Δx ≈ L .
- Uncertainty in Momentum: Using the uncertainty principle, there must be a minimum uncertainty in the momentum: Δp ≥ ħ / (2Δx) ≈ ħ / (2L) This means the momentum of the particle cannot be precisely zero. If the momentum were zero, Δp would be zero, violating the uncertainty principle.
- Minimum Kinetic Energy: The kinetic energy (K) of the particle is given by p²/2m. Since the particle has a non-zero momentum uncertainty (Δp), it means that while its average momentum could be zero, its average squared momentum (⟨p²⟩) will not be zero. The value of ⟨p²⟩ will be at least of the order of (Δp)². Therefore, the minimum average kinetic energy will be: K_min ≈ (Δp)² / 2m ≥ (ħ / (2L))² / 2m = ħ² / (8mL²) This energy is non-zero.
This minimum, non-zero energy is the
zero-point energy
. It is a purely quantum effect demonstrating that a confined particle can never be completely at rest; it must always possess some kinetic energy.
(c) Calculation of ⟨x⟩ The expectation value of position, ⟨x⟩, is given by the formula: ⟨x⟩ = ∫ Ψ*(x) x Ψ(x) dx The limits of integration are over the region where the particle exists, which is from 0 to L. The given wave function is: Ψ(x) = √(2/L) cos(πx/L) This is a real function, so Ψ*(x) = Ψ(x).
Substituting into the formula for ⟨x⟩: ⟨x⟩ = ∫₀ᴸ [√(2/L) cos(πx/L)] x [√(2/L) cos(πx/L)] dx ⟨x⟩ = (2/L) ∫₀ᴸ x cos²(πx/L) dx
To solve the integral, we use the trigonometric identity cos²(θ) = (1 + cos(2θ))/2 . Here, θ = πx/L, so cos²(πx/L) = (1 + cos(2πx/L))/2. ⟨x⟩ = (2/L) ∫₀ᴸ x [(1 + cos(2πx/L))/2] dx ⟨x⟩ = (1/L) ∫₀ᴸ [x + x cos(2πx/L)] dx ⟨x⟩ = (1/L) [∫₀ᴸ x dx + ∫₀ᴸ x cos(2πx/L) dx]
Now we solve the two integrals separately: First integral: ∫₀ᴸ x dx = [x²/2]₀ᴸ = L²/2
Second integral: (using integration by parts) ∫ u dv = uv – ∫ v du Let u = x (⇒ du = dx) and dv = cos(2πx/L) dx v = ∫ cos(2πx/L) dx = (L/2π) sin(2πx/L) ∫₀ᴸ x cos(2πx/L) dx = [x (L/2π) sin(2πx/L)]₀ᴸ – ∫₀ᴸ (L/2π) sin(2πx/L) dx = [ (L²/2π) sin(2π) – 0 ] – (L/2π) [(-L/2π) cos(2πx/L)]₀ᴸ = 0 – (L/2π) [-L/2π (cos(2π) – cos(0))] = (L²/4π²) [1 – 1] = 0
Plugging both results back into the equation for ⟨x⟩: ⟨x⟩ = (1/L) [L²/2 + 0] ⟨x⟩ = L/2
Alternatively: The probability density for the given wave function, |Ψ(x)|² = (2/L)cos²(πx/L), is symmetric about x=L/2. Whenever the probability density is symmetric about a point, the expectation value of the position is that point. Therefore, even without calculation, we could have deduced that ⟨x⟩ = L/2.
Q4. (a) Write down the time-independent Schrödinger equation for a particle of mass m in a one-dimensional potential barrier of height V₀ and width a. Obtain the general solutions of the equation when the energy of the particle E > V₀. Write down the boundary conditions for the problem. (b) Show that for a symmetric potential function [V(x) = V(-x)], the parity operator commutes with the Hamiltonian.
Ans. (a) Potential Barrier with E > V₀ A one-dimensional potential barrier is defined by the potential: V(x) = { V₀, for 0 < x < a V(x) = { 0, for x ≤ 0 (Region I) and x ≥ a (Region III) where V₀ is the height and a is the width of the barrier. We are considering the case where the particle’s energy E is greater than the barrier height (E > V₀).
1. Time-Independent Schrödinger Equation (TISE): The general TISE for the particle is: d²Ψ/dx² + (2m/ħ²) [E – V(x)] Ψ(x) = 0
We solve this equation in the three distinct regions:
- Region I (x < 0): Here, V(x) = 0. The TISE becomes: d²Ψ₁/dx² + (2mE/ħ²) Ψ₁ = 0 This can be written as d²Ψ₁/dx² + k₁² Ψ₁ = 0, where k₁ = √(2mE)/ħ . The general solution is: Ψ₁(x) = A e^(ik₁x) + B e^(-ik₁x) (A e^(ik₁x) represents the incident wave and B e^(-ik₁x) represents the reflected wave).
- Region II (0 < x < a): Here, V(x) = V₀. The TISE becomes: d²Ψ₂/dx² + (2m(E – V₀)/ħ²) Ψ₂ = 0 This can be written as d²Ψ₂/dx² + k₂² Ψ₂ = 0, where k₂ = √(2m(E – V₀))/ħ . (Since E > V₀, k₂ is real). The general solution is: Ψ₂(x) = C e^(ik₂x) + D e^(-ik₂x)
- Region III (x > a): Here, V(x) = 0, same as Region I. The TISE is: d²Ψ₃/dx² + (2mE/ħ²) Ψ₃ = 0 or d²Ψ₃/dx² + k₁² Ψ₃ = 0 The general solution is: Ψ₃(x) = F e^(ik₁x) + G e^(-ik₁x) Since there is no particle incident from the right in Region III, there can be no reflected wave. Thus, G = 0. Ψ₃(x) = F e^(ik₁x) (F e^(ik₁x) represents the transmitted wave).
2. Boundary Conditions: For the wave function to be physically acceptable, the wave function Ψ(x) and its first derivative dΨ/dx must be continuous everywhere, particularly at the boundaries where the potential changes (x=0 and x=a). This gives us the following four boundary conditions:
- Continuity of Ψ at x = 0: Ψ₁(0) = Ψ₂(0) ⇒ A + B = C + D
- Continuity of dΨ/dx at x = 0: dΨ₁/dx|ₓ=₀ = dΨ₂/dx|ₓ=₀ ⇒ ik₁(A – B) = ik₂(C – D)
- Continuity of Ψ at x = a: Ψ₂(a) = Ψ₃(a) ⇒ C e^(ik₂a) + D e^(-ik₂a) = F e^(ik₁a)
- Continuity of dΨ/dx at x = a: dΨ₂/dx|ₓ=ₐ = dΨ₃/dx|ₓ=ₐ ⇒ ik₂(C e^(ik₂a) – D e^(-ik₂a)) = ik₁F e^(ik₁a)
These four equations can be used to solve for the coefficients B, C, D, and F in terms of the incident amplitude A, which allows for the calculation of the reflection and transmission coefficients.
(b) Parity Operator and the Hamiltonian We need to show that for a symmetric potential function [V(x) = V(-x)], the Parity Operator (P) commutes with the Hamiltonian Operator (H). That is, we must prove: [P, H] = 0 , or PH = HP .
Definition of Operators:
- Hamiltonian Operator (H): For a one-dimensional system, H is the sum of the kinetic and potential energy operators. H = T + V = (-ħ²/2m) d²/dx² + V(x)
- Parity Operator (P): This operator acts on a function f(x) by replacing x with -x. P f(x) = f(-x)
Evaluating the Commutator [P, H]: To see if P and H commute, we apply their commutator [P, H] to an arbitrary test function Ψ(x): [P, H] Ψ(x) = (PH – HP) Ψ(x) = PHΨ(x) – HPΨ(x)
We evaluate the two terms separately:
First Term: PHΨ(x) First apply H to Ψ(x), then apply P to the result. HΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(x)/dx² + V(x)Ψ(x) PHΨ(x) = P [(-ħ²/2m) d²Ψ(x)/dx² + V(x)Ψ(x)] Using the linearity of operator P: PHΨ(x) = (-ħ²/2m) P(d²Ψ(x)/dx²) + P(V(x)Ψ(x)) Now, apply P (change x to -x): P(d²Ψ(x)/dx²) = d²Ψ(-x)/d(-x)² = d²Ψ(-x)/dx² (since (-x)² = x²) P(V(x)Ψ(x)) = V(-x)Ψ(-x) So, PHΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(-x)Ψ(-x)
Second Term: HPΨ(x) First apply P to Ψ(x), then apply H to the result. PΨ(x) = Ψ(-x) HPΨ(x) = H[Ψ(-x)] Now apply H to Ψ(-x): H[Ψ(-x)] = (-ħ²/2m) d²/dx² [Ψ(-x)] + V(x) [Ψ(-x)] HPΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(x)Ψ(-x)
Comparison: Now we compare the expressions for PHΨ(x) and HPΨ(x). PHΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(-x) Ψ(-x) HPΨ(x) = (-ħ²/2m) d²Ψ(-x)/dx² + V(x) Ψ(-x)
These two expressions will be equal if and only if V(-x) = V(x) . The problem states that the potential is symmetric, i.e., V(x) = V(-x). Under this condition, PHΨ(x) = HPΨ(x). Since this is true for any arbitrary function Ψ(x), we can conclude that the operators themselves are equal: PH = HP or, [P, H] = PH – HP = 0
Thus, for a symmetric potential, the parity operator commutes with the Hamiltonian. An important consequence of this is that the energy eigenfunctions in a symmetric potential can be chosen to be functions of definite parity (either even or odd).
Q5. (a) Define ‘activity’ of a radioactive substance. The half life of an element is 6.93 days. After how many days will only 10% of the element be left ? (b) Calculate the binding energy of a ⁴He nucleus using the semi-empirical mass formula. Take α = 15.8, β = 17.8, γ = 23.7, δ = 0.71 and ε = 34. (c) Explain how a self-sustained fission chain reaction is achieved in a nuclear reactor.
Ans. (a) Activity and Radioactive Decay Activity: The activity (A) of a radioactive sample is defined as the rate at which decays occur in the sample, i.e., the number of disintegrations per unit time. If a sample contains N radioactive nuclei at time t and the decay constant is λ, the activity is given by: A = -dN/dt = λN The SI unit of activity is the Becquerel (Bq) , where 1 Bq = 1 decay per second. Another common unit is the Curie (Ci), where 1 Ci = 3.7 × 10¹⁰ Bq.
Calculation: Given: Half-life, T₁/₂ = 6.93 days We need to find the time (t) after which 10% of the element is left. This means N(t) / N₀ = 10/100 = 0.1, where N₀ is the initial number of nuclei and N(t) is the number of nuclei remaining at time t.
First, we calculate the decay constant (λ): λ = 0.693 / T₁/₂ λ = 0.693 / 6.93 days λ = 0.1 day⁻¹
Now, use the law of radioactive decay: N(t) = N₀ e^(-λt) N(t) / N₀ = e^(-λt) 0.1 = e^(-0.1 * t)
Take the natural logarithm of both sides to solve for t: ln(0.1) = -0.1 * t We know that ln(0.1) = ln(1/10) = -ln(10) ≈ -2.303. -2.303 = -0.1 * t t = -2.303 / -0.1 t = 23.03 days
Therefore, after 23.03 days , only 10% of the element will be left.
(b) Binding Energy from Semi-Empirical Mass Formula (SEMF) The Semi-Empirical Mass Formula (SEMF) estimates the binding energy (B) of a nucleus: B(A, Z) = a_vA – a_sA²/³ – a_c Z(Z-1)/A¹/³ – a_a (A-2Z)²/A + δ_p Matching the given coefficients to the standard terms (assuming α=a_v, β=a_s, δ=a_c, γ=a_a, ε=a_p):
- Volume term coefficient, a_v (α) = 15.8 MeV
- Surface term coefficient, a_s (β) = 17.8 MeV
- Coulomb term coefficient, a_c (δ) = 0.71 MeV
- Asymmetry term coefficient, a_a (γ) = 23.7 MeV
- Pairing term coefficient, a_p (ε) = 34 MeV
We need to calculate the binding energy for the ⁴He nucleus (alpha particle):
Mass number,
A = 4
Atomic number,
Z = 2
Neutron number, N = A – Z = 2
Now we calculate each term: 1. Volume Energy: E_v = a_v * A = 15.8 × 4 = 63.2 MeV 2. Surface Energy: E_s = -a_s * A²/³ = -17.8 × (4)²/³ = -17.8 × 2.5198 ≈ -44.85 MeV 3. Coulomb Energy: E_c = -a_c * Z(Z-1)/A¹/³ = -0.71 × 2(2-1)/(4)¹/³ = -0.71 × 2 / 1.5874 ≈ -0.89 MeV 4. Asymmetry Energy: E_a = -a_a * (A-2Z)²/A = -23.7 × (4 – 2×2)² / 4 = -23.7 × (0)² / 4 = 0 MeV 5. Pairing Energy: ⁴He is an even-even nucleus (Z=2, N=2). The pairing term is positive for even-even nuclei. A common form is `+a_p/A^(3/4)` which works well with the given constants. δ_p = +a_p / A³/⁴ = +34 / (4)³/⁴ = +34 / (2²)³/⁴ = +34 / 2¹·⁵ = +34 / 2.828 ≈ +12.02 MeV
Total Binding Energy (B): B = E_v + E_s + E_c + E_a + δ_p B = 63.2 – 44.85 – 0.89 + 0 + 12.02 B ≈ 29.48 MeV
Therefore, the binding energy of the ⁴He nucleus calculated using the SEMF is approximately 29.5 MeV . (This is quite close to the experimental value of 28.3 MeV).
(c) Self-Sustained Fission Chain Reaction A self-sustained fission chain reaction in a nuclear reactor means establishing a process where the rate of fission remains constant, leading to a controlled and continuous release of energy. This is achieved through the following key components and principles:
1. Fission: The process starts when a fissile nucleus, like Uranium-235 (²³⁵U) , absorbs a neutron. This excites it into an unstable state, and it splits into two or more smaller nuclei (fission products), releasing a large amount of energy and, on average, 2 to 3 new neutrons.
2. Chain Reaction: The neutrons produced from one fission event can go on to induce fission in other ²³⁵U nuclei. If, on average, at least one of these new neutrons causes another fission event, the reaction will continue on its own.
3. Neutron Multiplication Factor (k): The state of a chain reaction is described by the multiplication factor (k) : k = (number of fissions in one generation) / (number of fissions in the preceding generation)
- k < 1 (Subcritical): Fewer neutrons cause fissions in each generation. The reaction dies out.
- k > 1 (Supercritical): More neutrons cause fissions in each generation. The reaction rate grows exponentially (the principle of an atomic bomb).
- k = 1 (Critical): The reaction rate is stable. Exactly one neutron from each fission, on average, causes another fission. This is the desired self-sustained state in a reactor.
4. Achieving k=1:
- Moderator: Neutrons from fission are very fast (high energy). ²³⁵U is much more effective at capturing thermal (slow) neutrons. A moderator (like heavy water, ordinary water, or graphite) slows down the neutrons by colliding with them, making them more likely to cause fission.
- Control Rods: These are made of neutron-absorbing materials like boron or cadmium. By moving them into or out of the reactor core, excess neutrons can be absorbed, allowing the value of k to be precisely adjusted and maintained at 1.
- Critical Mass: A sufficient amount of fissile material (like ²³⁵U) is needed to sustain the chain reaction, so that the rate of fission is greater than the rate of neutron loss from the core’s surface.
By carefully balancing these mechanisms, a nuclear reactor achieves a stable, self-sustained chain reaction, producing a continuous output of energy at a controlled rate.
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