Um elétron de massa mmm choca-se frontalmente com um átomo de massa MMM inicialmente em repouso. Em consequência da colisão uma certa quantidade de energia EEE é armazenada internamente no átomo. Mostre que a velocidade inicial mínima do elétron deve ter
.
Passo 1
Vamos começar entendendo o que o exercício nos pede. Temos um elétron de massa
que colide frontalmente com um átomo de massa
, que está inicialmente em repouso. Após a colisão, uma quantidade de energia
é armazenada internamente no átomo. Nosso objetivo é encontrar a velocidade inicial mínima
que o elétron deve ter para que essa energia
seja armazenada. Para resolver isso, vamos utilizar os conceitos de conservação do momento linear e energia cinética.
Passo 2
Primeiramente, vamos aplicar a lei da conservação do momento linear. Antes da colisão, apenas o elétron está em movimento, então o momento total do sistema é:
Após a colisão, o elétron e o átomo se movem juntos com uma velocidade comum
. Portanto, o momento final do sistema é:
Pela conservação do momento:
Podemos isolar
:
Passo 3
Agora, vamos analisar as energias cinéticas antes e após a colisão. A energia cinética inicial do sistema (apenas o elétron em movimento) é:
Após a colisão, a energia cinética do sistema (elétron e átomo em movimento conjunto) é:
Substituindo
da equação anterior:
Passo 4
A energia armazenada internamente no átomo,
, é a diferença entre a energia cinética inicial e a final:
Vamos simplificar essa expressão:
Então:
Passo 5
Agora, vamos resolver essa equação para encontrar
:
Multiplicando ambos os lados por
:
Finalmente, tirando a raiz quadrada de ambos os lados:
Resposta
A velocidade inicial mínima do elétron deve ser:
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.
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.
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.
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.