Modern Fizik · 2. Ünite: Relativistik Dinamik

Relativistik Enerji

Kütle ile enerji aynı niceliğin iki yüzüdür: durgun bir parçacık bile $mc^2$ kadar enerji taşır. Bu konuda iş–enerji teoreminden $K = (\gamma - 1)mc^2$ ifadesini türetir, toplam enerjiyi $E = \gamma mc^2$ ile tanımlar, $E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$ bağıntısını kurar ve foton gibi kütlesiz parçacıkların $E = pc$ ile tutarlı olduğunu görürsün. Sonunda hızlandırıcı enerjilerini (eV, MeV, TeV) $\gamma$ ve hıza çevirebilir, reaksiyon eşik enerjisi fikrine ilk adımı atabilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Enerji Sınırı Olmayan, Hız Sınırı Olan Bir Dünya

  2. Kinetik Enerji: $K = (\gamma - 1)mc^2$ Türetmesi

  3. Toplam Enerji ve $E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$

  4. Sınır Durumları ve Klasik Yaklaşımın Geçerliliği

  5. Hızlandırıcıda Enerji, eV ve $\gamma$

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  8. Özet ve Diğer Konularla Bağlantı

Anahtar terimler

Durgun enerji (rest energy)
$E_0 = mc^2$; parçacığın durgun çerçevesindeki enerjisi (elektron $0{,}511$ MeV, proton $938{,}27$ MeV).
Toplam enerji (total energy)
$E = \gamma mc^2 = K + mc^2$.
Relativistik kinetik enerji
$K = (\gamma - 1)mc^2$; $v \ll c$ için $\tfrac{1}{2}mv^2$ değerine gider.
Enerji–momentum bağıntısı
$E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$; dik üçgen ilişkisi.
Kütlesiz parçacık (massless particle)
$m = 0$, $v = c$ ve $E = pc$ olan parçacık, örneğin foton.
Elektronvolt (electronvolt)
$1\,\text{eV} = 1{,}602\times10^{-19}\,\text{J}$; $q = e$ için $K = eV$.
Ultra-relativistik limit
$E \gg mc^2$; $pc \approx E$ ve $v \approx c$.
Eşik enerjisi (threshold energy)
Bir tepkimenin olabilmesi için mermiye gereken en küçük kinetik enerji.

Örnek soru

$1{,}00\,\text{g}$ kütlenin tamamı enerjiye dönüştürülürse ($c = 2{,}998\times10^{8}\,\text{m/s}$) açığa çıkan enerji yaklaşık kaç joule'dür?

  1. $9{,}0\times10^{16}$
  2. $9{,}0\times10^{13}$
  3. $4{,}5\times10^{13}$
  4. $3{,}0\times10^{5}$
  5. $9{,}0\times10^{10}$

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Birim analizi: $E = mc^2$'de $m$ kg olmalı. $1{,}00\,\text{g} = 1{,}00\times10^{-3}\,\text{kg}$.
2. $E = 10^{-3}\times(2{,}998\times10^{8})^2 = $ 8,99×10¹³ J ≈ 9,0×10¹³ J (yaklaşık $2{,}5\times10^{7}\,\text{kWh}$).
Çeldiriciler: $9{,}0\times10^{16}$ gram'ı kg'a çevirmeyi unutmakla gelir; $4{,}5\times10^{13}$ klasik kinetik enerji gibi $\tfrac{1}{2}mc^2$ almaktır; $3{,}0\times10^{5}$ ise $c$'nin karesi yerine birinci kuvvetini almaktır ($mc$); $9{,}0\times10^{10}$ gramı miligram almaktır.

Modern Fizik: tüm konular