DYNAMIQUE - COMPLÉMENTS SUR LES CHOCS - exercices
Choc élastique et détermination de la masse du neutron
• On considère deux
particules “ponctuelles” de masses
et
.
Initialement, la particule de masse
est animée
d'une vitesse
dirigée suivant l'axe
d'un repère
orthonormé lié à un référentiel galiléen. Elle vient percuter la
particule de masse
initialement immobile en
. On suppose
que le choc est élastique et on désigne par
et
les angles
par rapport à
des vitesses
et
après le choc.
1. • En écrivant la conservation de la
quantité de mouvement et de l'énergie cinétique, établir les
équations permettant de calculer
,
et
en fonction
de
,
,
et
.
2. a) On suppose maintenant que
.
Exprimer
et
en
fonction de
,
et
.
b) Soient
l'énergie cinétique de la première particule avant le choc et
celle
de la deuxième particule après le choc, calculer
en
fonction de
et
puis
calculer
en
fonction de
,
et
. Examiner
les cas particuliers suivants :
;
;
.
Dans ce dernier cas, que peut-on dire du rapport
?
c) Application : avec des
neutrons de masse
et de vitesse
on bombarde des cibles contenant des atomes d'hydrogène ou d'azote
au repos (l'agitation thermique est donc supposée négligeable). On
mesure les vitesses
et
pour les protons (noyaux d'atomes
) et les noyaux d'atomes
émis avec
.
Montrer qu'on peut déduire de ces mesures une valeur approchée de la
masse du neutron. Comparer cette masse à celle du proton, sachant
que
et que l'expérience a donné
.
Choc inélastique et référentiel du centre de masse
• On considère un système
isolé constitué d'un neutron (de masse
, représenté
par un point
) et d'un
noyau d'atome “lourd” (de masse
, représenté
par un point
). Dans le
référentiel
du
laboratoire, supposé galiléen,
est animé
d'une vitesse initiale
et entre en collision avec
initialement
immobile.
• Après le choc, il se
forme une particule unique (nouveau noyau atomique), de masse
,
représentée par un point matériel
dont la
vitesse est
.
1. • Montrer que cette collision ne conserve
pas l'énergie cinétique du système ; calculer sa variation
algébrique
en fonction
de
,
et de
l'énergie cinétique initiale de
, notée
.
2. • On considère le choc dans le
référentiel
du centre de
masse du système : référentiel barycentrique dont l'origine est le
centre de masse
et dont les
axes ont des directions fixes par rapport au référentiel de Copernic
(directions déterminées par rapport à des étoiles très lointaines).
a) Montrer que
est
galiléen.
b) Calculer dans
l'énergie
cinétique de
(après le
choc).
c) Calculer dans
l'énergie
cinétique
du
système “
” (avant le
choc). L'exprimer en fonction de
et la
comparer à
.
Désintégration d'une particule et référentiel du centre de
masse
• Dans le référentiel
du
laboratoire, considéré comme galiléen, une particule
, isolée, de
masse
, se déplace
à la vitesse
. À l'instant
elle se
désintègre en deux particules
et
, de masses
et
avec
, qui
n'interagissent pas entre elles et qui sont animées de vitesses
et
.
1. • Écrire l'équation qui relie
,
et
.
2. • Calculer, en fonction de
,
,
et
, la variation
de
l'énergie cinétique du système lors de la désintégration. Que
peut-on dire de l'énergie totale du système (justifier) ?
3. • On raisonne dans le référentiel
du centre de
masse : référentiel barycentrique dont l'origine est le centre de
masse
et dont les
axes ont des directions fixes par rapport au référentiel de Copernic
(directions déterminées par rapport à des étoiles très lointaines).
a) Montrer que ce
référentiel est galiléen.
b) En notant
la différence
entre l'énergie interne de la particule
et la somme
des énergies internes de
et
, calculer
les normes
et
des
quantités de mouvement de
et
dans
. Que
peut-on dire de la "disposition" relative des vecteurs
et
? Comparer
et la
variation
calculée à
la question 2.
Choc inélastique et énergie de seuil
• Une particule de masse
(par
exemple un électron), de vitesse
, entre en collision avec une particule de masse
(par
exemple un atome), initialement immobile (dans un référentiel
galiléen).
• Sous l'effet du choc,
la seconde particule passe de l'état d'énergie fondamental à un
niveau excité, d'énergie d’excitation
.
1. • Exprimer les conservations de la
quantité de mouvement et de l'énergie totale du système, en
désignant par
et
les vitesses des deux particules après le choc.
2. • On pose
; montrer que
est
déterminée par une équation du second degré dans laquelle
intervient
comme paramètre. En déduire que, pour que le choc puisse se produire
en provoquant le passage au niveau excité, il faut que l'énergie
cinétique de la particule incidente soit supérieure à un certain
seuil
. Exprimer
pour la
valeur de
la plus
favorable.
Expérience de Rutherford
• L’expérience de
Rutherford consiste à bombarder une mince feuille de métal (donc
essentiellement les noyaux de ses atomes) par des particules
(noyaux
d’atomes d’hélium, de masse
, avec
).
1. • Justifier que tout se passe comme si
les particules
interagissaient avec des noyaux de masse égale à celle de l’ensemble
de la cible.
2. • En supposant un noyau cible fixe en
et en
supposant connues les conditions initiales
et
(paramètre
d'impact), exprimer le moment cinétique
(à un instant quelconque du mouvement).
3. • Exprimer de façon analogue l’énergie
potentielle et l'énergie mécanique (à un instant quelconque).
4. • D'après les lois de conservation, en
déduire la distance minimale d'approche
.