fix problems with html output
[light-and-matter.git] / lm / em / f.rbtex
blobd24f4828b3676d3b20a88114354c0e032f46dc84
1 <%
2   require "../eruby_util.rb"
3 %>
5 <%
6   chapter(
7     '26',
8     %q{The Atom and E=mc$^2$},
9     'ch:atom',
10     %q{Marie and Pierre Curie were the first to purify radium in
11         significant quantities. Radium's intense radioactivity made possible
12         the experiments that led to the modern planetary model of the atom, in
13         which electrons orbit a nucleus made of protons and neutrons.},
14     {'opener'=>'curies','sidecaption'=>true}
15   )
18 <% begin_sec("Atoms",0,'atoms') %>
19         \epigraph{I was brought up to look at the atom as a nice, hard fellow,
20         red or grey in color according to taste.}{Rutherford}
22   <% begin_sec("The chemical elements",nil,'chemical-elements') %>\index{elements, chemical}
24         How would one find out what types of atoms there were?
25         Today, it doesn't seem like it should have been very
26         difficult to work out an experimental program to classify
27         the types of atoms. For each type of atom, there should be a
28         corresponding element, i.e., a pure substance made out of
29         nothing but that type of atom. Atoms are supposed to be
30         unsplittable, so a substance like milk could not possibly be
31         elemental, since churning it vigorously causes it to split
32         up into two separate substances: butter and whey. Similarly,
33         rust could not be an element, because it can be made by
34         combining two substances: iron and oxygen. Despite its
35         apparent reasonableness, no such program was carried out
36         until the eighteenth century.
38         By 1900, however, chemists had done a reasonably good job of
39         finding out what the elements were. They also had determined
40         the ratios of the different atoms' masses fairly accurately.
41         A typical technique would be to measure how many grams of
42         sodium (Na) would combine with one gram of chlorine (Cl) to
43         make salt (NaCl). (This assumes you've already decided based
44         on other evidence that salt consisted of equal numbers of Na
45         and Cl atoms.) The masses of individual atoms, as opposed to
46         the mass ratios, were known only to within a few orders of
47         magnitude based on indirect evidence, and plenty of
48         physicists and chemists denied that individual atoms were
49         anything more than convenient symbols.
50 <% marg(50) %>
51         \begin{minipage}[t]{52mm}
52         \begin{equation*}
53         \frac{m_\zu{He}}{m_\zu{H}}=3.97
54         \end{equation*}
55         \begin{equation*}
56         \frac{m_\zu{Ne}}{m_\zu{H}}=20.01
57         \end{equation*}
58         \begin{equation*}
59         \frac{m_\zu{Sc}}{m_\zu{H}}=44.60
60         \end{equation*}
61         \docaption{Examples of masses of atoms compared to that of hydrogen. Note
62         how some, but not all, are close to integers.} %
63         \label{fig:hmassratios} %
64         \end{minipage}
65 <% end_marg %>
69 The following
70 table gives the atomic masses of all the elements, on a standard scale in which 
71 the mass of hydrogen is very close to 1.0.
72 The absolute calibration of the whole
73 scale was only very roughly known for a long time, but was eventually tied down,
74 with the mass of a hydrogen atom being determined to be about
75 $1.7\times10^{-27}$ kg.
77 {\footnotesize
78 \begin{tabular}{|ll|ll|ll|ll|}
79 \hline
80 Ag      & 107.9 &Eu     & 152.0 &Mo     & 95.9  &Sc     & 45.0  \\
81 Al      & 27.0  &F      & 19.0  &N      & 14.0  &Se     & 79.0  \\
82 Ar      & 39.9  &Fe     & 55.8  &Na     & 23.0  &Si     & 28.1  \\
83 As      & 74.9  &Ga     & 69.7  &Nb     & 92.9  &Sn     & 118.7 \\
84 Au      & 197.0 &Gd     & 157.2 &Nd     & 144.2 &Sr     & 87.6  \\
85 B       & 10.8  &Ge     & 72.6  &Ne     & 20.2  &Ta     & 180.9 \\
86 Ba      & 137.3 &H      & 1.0   &Ni     & 58.7  &Tb     & 158.9 \\
87 Be      & 9.0   &He     & 4.0   &O      & 16.0  &Te     & 127.6 \\
88 Bi      & 209.0 &Hf     & 178.5 &Os     & 190.2 &Ti     & 47.9  \\
89 Br      & 79.9  &Hg     & 200.6 &P      & 31.0  &Tl     & 204.4 \\
90 C       & 12.0  &Ho     & 164.9 &Pb     & 207.2 &Tm     & 168.9 \\
91 Ca      & 40.1  &In     & 114.8 &Pd     & 106.4 &U      & 238   \\
92 Ce      & 140.1 &Ir     & 192.2 &Pt     & 195.1 &V      & 50.9  \\
93 Cl      & 35.5  &K      & 39.1  &Pr     & 140.9 &W      & 183.8 \\
94 Co      & 58.9  &Kr     & 83.8  &Rb     & 85.5  &Xe     & 131.3 \\
95 Cr      & 52.0  &La     & 138.9 &Re     & 186.2 &Y      & 88.9  \\
96 Cs      & 132.9 &Li     & 6.9   &Rh     & 102.9 &Yb     & 173.0 \\
97 Cu      & 63.5  &Lu     & 175.0 &Ru     & 101.1 &Zn     & 65.4  \\
98 Dy      & 162.5 &Mg     & 24.3  &S      & 32.1  &Zr     & 91.2  \\
99 Er      & 167.3 &Mn     & 54.9  &Sb     & 121.8         & & \\
100 \hline
101 \end{tabular}
104   <% end_sec('chemical-elements') %>
105   <% begin_sec("Making sense of the elements",nil,'making-sense-of-elements') %>
106         As the information accumulated, the challenge was to find a
107         way of systematizing it; the modern scientist's aesthetic
108         sense rebels against complication. This hodgepodge of
109         elements was an embarrassment. One contemporary observer,
110         William \index{Crookes, William}Crookes, described the
111         elements as extending ``before us as stretched the wide
112         Atlantic before the gaze of Columbus, mocking, taunting and
113         murmuring strange riddles, which no man has yet been able to
114         solve.'' It wasn't long before people started recognizing
115         that many atoms' masses were nearly integer multiples of the
116         mass of hydrogen, the lightest element. A few excitable
117         types began speculating that hydrogen was the basic building
118         block, and that the heavier elements were made of clusters
119         of hydrogen. It wasn't long, however, before their parade
120         was rained on by more accurate measurements, which showed
121         that not all of the elements had atomic masses that were
122         near integer multiples of hydrogen, and even the ones that
123         were close to being integer multiples were off by one percent or so.
125   fig(
126     'periodictable',
127     %q{%
128       A modern periodic table. Elements in the same column have
129               similar chemical properties. The modern atomic numbers, discussed on
130               p.~\pageref{subsec:atomic-number}, were not known in Mendeleev's time, since the table could be
131               flipped in various ways.
132     },
133     {
134       'width'=>'wide',
135       'sidecaption'=>true
136     }
137   )
139 \index{periodic table}
141         Chemistry professor Dmitri \index{Mendeleev, Dmitri}Mendeleev,
142         preparing his lectures in 1869, wanted to find some way to
143         organize his knowledge for his students to make it more
144         understandable. He wrote the names of all the elements on
145         cards and began arranging them in different ways on his
146         desk, trying to find an arrangement that would make sense of
147         the muddle. The row-and-column scheme he came up with is
148         essentially our modern periodic table. The columns of the
149         modern version represent groups of elements with similar
150         chemical properties, and each row is more massive than the
151         one above it. Going across each row, this almost always
152         resulted in placing the atoms in sequence by weight as well.
153         What made the system significant was its predictive value.
154         There were three places where Mendeleev had to leave gaps in
155         his checkerboard to keep chemically similar elements in the
156         same column. He predicted that elements would exist to fill
157         these gaps, and extrapolated or interpolated from other
158         elements in the same column to predict their numerical
159         properties, such as masses, boiling points, and densities.
160         Mendeleev's professional stock skyrocketed when his three
161         elements (later named gallium, scandium and germanium) were
162         discovered and found to have very nearly the properties he had predicted.
164         One thing that Mendeleev's table made clear was that mass
165         was not the basic property that distinguished atoms of
166         different elements. To make his table work, he had to
167         deviate from ordering the elements strictly by mass. For
168         instance, iodine atoms are lighter than tellurium, but
169         Mendeleev had to put iodine after tellurium so that it would
170         lie in a column with chemically similar elements.
172   <% end_sec('making-sense-of-elements') %>
173   <% begin_sec("Direct proof that atoms existed",nil,'direct-proof-of-atoms') %>
175         The success of the kinetic theory of heat was taken as
176         strong evidence that, in addition to the motion of any
177         object as a whole, there is an invisible type of motion all
178         around us: the random motion of atoms within each object.
179         But many conservatives were not convinced that atoms really
180         existed. Nobody had ever seen one, after all. It wasn't
181         until generations after the kinetic theory of heat was
182         developed that it was demonstrated conclusively that atoms
183         really existed and that they participated in continuous
184         motion that never died out.
186         The smoking gun to prove atoms were more than mathematical
187         abstractions came when some old, obscure observations were
188         reexamined by an unknown Swiss patent clerk named Albert
189         Einstein. A botanist named \index{Brownian motion}Brown,
190         using a microscope that was state of the art in 1827,
191         observed tiny grains of pollen in a drop of water on a
192         microscope slide, and found that they jumped around randomly
193         for no apparent reason. Wondering at first if the pollen
194         he'd assumed to be dead was actually alive, he tried looking
195         at particles of soot, and found that the soot particles also
196         moved around. The same results would occur with any small
197         grain or particle suspended in a liquid. The phenomenon came
198         to be referred to as Brownian motion, and its existence was
199         filed away as a quaint and thoroughly unimportant fact,
200         really just a nuisance for the microscopist.
202         It wasn't until 1906 that \index{Einstein, Albert!and
203         Brownian motion}Einstein found the correct interpretation
204         for Brown's observation: the water molecules were in
205         continuous random motion, and were colliding with the
206         particle all the time, kicking it in random directions.
207         After all the millennia of speculation about atoms, at last
208         there was solid proof. Einstein's calculations dispelled all
209         doubt, since he was able to make accurate predictions of
210         things like the average distance traveled by the particle in
211         a certain amount of time.  (Einstein received the Nobel
212         Prize not for his theory of relativity but for his papers on
213         Brownian motion and the photoelectric effect.)
216 \startdqs
218 \begin{dq}
219         How could knowledge of the size of an individual aluminum
220         atom be used to infer an estimate of its mass, or vice versa?
221 \end{dq}
223 \begin{dq}
224         How could one test Einstein's interpretation of Brownian motion by observing
225         it at different temperatures?
226 \end{dq}
228   <% end_sec('direct-proof-of-atoms') %>
229 <% end_sec('atoms') %>
230 <% begin_sec("Quantization of charge",0,'charge-quantization') %>\index{quantization}\index{charge!quantization of}
231         Proving that atoms actually existed was a big accomplishment,
232         but demonstrating their existence was different from
233         understanding their properties. Note that the Brown-Einstein
234         observations had nothing at all to do with electricity, and
235         yet we know that matter is inherently electrical, and we
236         have been successful in interpreting certain electrical
237         phenomena in terms of mobile positively and negatively
238         charged particles. Are these particles atoms? Parts of
239         atoms? Particles that are entirely separate from atoms? It
240         is perhaps premature to attempt to answer these questions
241         without any conclusive evidence in favor of the charged-particle
242         model of electricity.
244         Strong support for the charged-particle model came from a
245         1911 experiment by physicist Robert \index{Millikan, Robert}Millikan
246         at the University of Chicago. Consider a jet
247         of droplets of perfume or some other liquid made by blowing
248         it through a tiny pinhole. The droplets emerging from the
249         pinhole must be smaller than the pinhole, and in fact most
250         of them are even more microscopic than that, since the
251         turbulent flow of air tends to break them up. Millikan
252         reasoned that the droplets would acquire a little bit of
253         electric charge as they rubbed against the channel through
254         which they emerged, and if the charged-particle model of
255         electricity was right, the charge might be split up among so
256         many minuscule liquid drops that a single drop might have a
257         total charge amounting to an excess of only a few charged
258         particles --- perhaps an excess of one positive particle on
259         a certain drop, or an excess of two negative ones on another.
260 <% marg(60) %>
262   fig(
263     'millikan',
264     %q{A young Robert Millikan.}
265   )
267         \spacebetweenfigs
268         %
270   fig(
271     'oildrop',
272     %q{A simplified diagram of Millikan's apparatus.}
273   )
275         
276 <% end_marg %>
278         Millikan's ingenious apparatus, \ref{fig:oildrop},
279         consisted of two metal plates, which could be electrically
280         charged as needed. He sprayed a cloud of oil droplets into
281         the space between the plates, and selected one drop through
282         a microscope for study. First, with no charge on the plates,
283         he would determine the drop's mass by letting it fall
284         through the air and measuring its terminal velocity, i.e.,
285         the velocity at which the force of air friction canceled out
286         the force of gravity. The force of air drag on a slowly
287         moving sphere had already been found by experiment to be
288         $bvr^2$, where $b$ was a constant.
289         Setting the total force equal to zero when the drop is at
290         terminal velocity gives
291         \begin{equation*}
292                    bvr^2 - mg = 0\qquad   ,
293         \end{equation*}
294         and setting the known density of oil equal to the drop's
295         mass divided by its volume gives a second equation,
296         \begin{equation*}
297                    \rho = \frac{m}{\frac{4}{3}\pi r^3}\qquad   .
298         \end{equation*}
299         Everything in these equations can be measured directly
300         except for $m$ and $r$, so these are two equations in two
301         unknowns, which can be solved in order to determine
302         how big the drop is.
304         Next Millikan charged the metal plates, adjusting the amount
305         of charge so as to exactly counteract gravity and levitate
306         the drop. If, for instance, the drop being examined happened
307         to have a total charge that was negative, then positive
308         charge put on the top plate would attract it, pulling it up,
309         and negative charge on the bottom plate would repel it,
310         pushing it up. (Theoretically only one plate would be
311         necessary, but in practice a two-plate arrangement like this
312         gave electrical forces that were more uniform in strength
313         throughout the space where the oil drops were.) 
314         When the drop was being levitated, the gravitational and
315         electric forces canceled, so $qE=mg$. Since the mass of the drop,
316         the gravitational
317         field $g$, and the electric field $E$ were all known, the charge
318         $q$ could be determined.
320         Table \figref{millikanratios} shows a few of the results from
321         Millikan's 1911 paper. (Millikan took data on both
322         negatively and positively charged drops, but in his paper he
323         gave only a sample of his data on negatively charged drops,
324         so these numbers are all negative.) Even a quick look at the
325         data leads to the suspicion that the charges are not simply
326         a series of random numbers. For instance, the second charge
327         is almost exactly equal to half the first one. Millikan
328         explained the observed charges as all being integer
329         multiples of a single number, $1.64\times10^{-19}$ C. In the
330         second column, dividing by this constant gives numbers that
331         are essentially integers, allowing for the random errors
332         present in the experiment. Millikan states in his paper that
333         these results were a
334 <% marg(80) %>
335         \begin{minipage}[t]{52mm}
336         \begin{tabular}{ll}
337                                         & $q$\\
338                                         & $/(1.64$\\
339                 $q$ (C)                & $\times10^{-19}\ \zu{C})$ \\
340                 \hline
341                 $-1.970\times10^{-18}$        & $-12.02$ \\
342                 $-0.987\times10^{-18}$        & $-6.02$ \\
343                 $-2.773\times10^{-18}$        & $-16.93$ \\
344         \end{tabular}
345         \docaption{A few samples of Millikan's data.} %
346         \label{fig:millikanratios} %
347         \end{minipage}
348         
349 <% end_marg %>
351         \begin{quote}
352         \ldots direct and tangible demonstration \ldots of the correctness of
353         the view advanced many years ago and supported by evidence
354         from many sources that all electrical charges, however
355         produced, are exact multiples of one definite, elementary
356         electrical charge, or in other words, that an electrical
357         charge instead of being spread uniformly over the charged
358         surface has a definite granular structure, consisting, in
359         fact, of \ldots specks, or atoms of electricity, all precisely
360         alike, peppered over the surface of the charged body.
361         \end{quote}
363         In other words, he had provided direct evidence for the
364         charged-particle model of electricity and against models in
365         which electricity was described as some sort of fluid. The
366         basic charge is notated $e$, and the modern value is
367         $e=1.60\times10^{-19}$ C.
368         The word ``\emph{quantized}'' is used in physics to describe
369         a quantity that can only have certain numerical values, and
370         cannot have any of the values between those. In this
371         language, we would say that Millikan discovered that charge
372         is quantized. The charge $e$ is referred to as the quantum of charge.
374         <% self_check('quantizedmoney',<<-'SELF_CHECK'
375                Is money quantized? What is the quantum of money?
376           SELF_CHECK
377   ) %>
379         \begin{optionaltopic}{A historical note on Millikan's fraud}
380         Very few undergraduate physics textbooks mention
381          the well-documented fact that although
382         Millikan's conclusions were correct, he was guilty of scientific
383         fraud. His technique was difficult and painstaking to perform, and his
384         original notebooks, which have been preserved, show that the data were
385         far less perfect than he claimed in his published scientific papers.
386         In his publications, he stated categorically that every single oil
387         drop observed had had a charge that was a multiple of $e$, with no
388         Exceptions or omissions. But his notebooks are replete with notations
389         such as ``beautiful data, keep,'' and ``bad run, throw out.'' Millikan,
390         then, appears to have earned his Nobel Prize by advocating a correct
391         position with dishonest descriptions of his data.
392         \end{optionaltopic}
394 <% end_sec('charge-quantization') %> % Quantization of charge
395 <% begin_sec("The electron",nil,'electron') %>
396   <% begin_sec("Cathode rays",nil,'cathode-rays') %>\index{cathode rays}
398         Nineteenth-century physicists spent a lot of
399         time trying to come up with wild, random ways to play with
400         electricity. The best experiments of this kind were the ones
401         that made big sparks or pretty colors of light.
403         One such parlor trick was the cathode ray. To produce it,
404         you first had to hire a good glassblower and find a good
405         vacuum pump. The glassblower would create a hollow tube and
406         embed two pieces of metal in it, called the electrodes,
407         which were connected to the outside via metal wires passing
408         through the glass. Before letting him seal up the whole
409         tube, you would hook it up to a vacuum pump, and spend
410         several hours huffing and puffing away at the pump's hand
411         crank to get a good vacuum inside. Then, while you were
412         still pumping on the tube, the glassblower  would melt the
413         glass and seal the whole thing shut. Finally, you would put
414         a large amount of positive charge on one wire and a large
415         amount of negative charge on the other. Metals have the
416         property of letting charge move through them easily, so the
417         charge deposited on one of the wires would quickly spread
418         out because of the repulsion of each part of it for every
419         other part. This spreading-out process would result in
420         nearly all the charge ending up in the electrodes, where
421         there is more room to spread out than there is in the wire.
422         For obscure historical reasons a negative electrode is
423         called a cathode and a positive one is an anode.
425         Figure \ref{fig:crt} shows the light-emitting stream that was
426         observed. If, as shown in this figure, a hole was made in
427         the anode, the beam would extend on through the hole until
428         it hit the glass. Drilling a hole in the cathode, however
429         would not result in any beam coming out on the left side,
430         and this indicated that the stuff, whatever it was, was
431         coming from the cathode. The rays were therefore christened
432         ``cathode rays.'' (The terminology is still used today in
433         the term ``cathode ray tube'' or ``CRT'' for the picture
434         tube of a TV or computer monitor.)
436   <% end_sec('cathode-rays') %>
437   <% begin_sec("Were cathode rays a form of light, or of matter?",nil,'nature-of-cathode-rays') %>
439         <% marg(10) %>
441   fig(
442     'crt',
443     %q{Cathode rays observed in a vacuum tube.}
444   )
446 <% end_marg %>
448         Were cathode rays a form of light, or matter? At first no
449         one really cared what they were, but as their scientific
450         importance became more apparent, the light-versus-matter
451         issue turned into a controversy along nationalistic lines,
452         with the Germans advocating light and the English holding
453         out for matter. The supporters of the material interpretation
454         imagined the rays as consisting of a stream of atoms ripped
455         from the substance of the cathode.
457         One of our defining characteristics of matter is that
458         material objects cannot pass through each other. Experiments
459         showed that cathode rays could penetrate at least some small
460         thickness of matter, such as a metal foil a tenth of a
461         millimeter thick, implying that they were a form of light.
463         Other experiments, however, pointed to the contrary
464         conclusion. Light is a wave phenomenon, and one distinguishing
465         property of waves is demonstrated by speaking into one end of a
466         paper towel roll. The sound waves do not emerge from the
467         other end of the tube as a focused beam. Instead, they begin
468         spreading out in all directions as soon as they emerge. This
469         shows that waves do not necessarily travel in straight
470         lines. If a piece of metal foil in the shape of a star or a
471         cross was placed in the way of the cathode ray, then a
472         ``shadow'' of the same shape would appear on the glass,
473         showing that the rays traveled in straight lines. This
474         straight-line motion suggested that they were a stream of
475         small particles of matter. 
477         These observations were inconclusive, so what was really
478         needed was a determination of whether the rays had mass and
479         weight. The trouble was that cathode rays could not simply
480         be collected in a cup and put on a scale. When the cathode
481         ray tube is in operation, one does not observe any loss of
482         material from the cathode, or any crust being deposited on the anode.
484          Nobody could think of a good way to weigh cathode rays, so
485         the next most obvious way of settling the light/matter
486         debate was to check whether the cathode rays possessed
487         electrical charge. Light was known to be uncharged. If the
488         cathode rays carried charge, they were definitely matter and
489         not light, and they were presumably being made to jump the
490         gap by the simultaneous repulsion of the negative charge in
491         the cathode and attraction of the positive charge in the
492         anode. The rays would overshoot the anode because of their
493         momentum. (Although electrically charged particles do not
494         normally leap across a gap of vacuum, very large amounts of
495         charge were being used, so the forces were unusually intense.)
497   <% end_sec('nature-of-cathode-rays') %>
498   <% begin_sec("Thomson's experiments",nil,'thompson-experiment') %>\index{Thomson, J.J.!cathode ray experiments}
499         <% marg(42) %>
501   fig(
502     'thomson',
503     %q{J.J. Thomson.}
504   )
506 <% end_marg %>
507         Physicist J.J. Thomson at Cambridge carried out a series of
508         definitive experiments on cathode rays around the year 1897.
509         By turning them slightly off course with electrical forces, \ref{fig:deflect},
510         he showed that they were indeed
511         electrically charged, which was strong evidence that they
512         were material. Not only that, but he proved that they had
513         mass, and measured the ratio of their mass to their charge,
514         $m/q$. Since their mass was not zero, he concluded that they
515         were a form of matter, and presumably made up of a stream of
516         microscopic, negatively charged particles. When Millikan
517         published his results fourteen years later, it was
518         reasonable to assume that the charge of one such particle
519         equaled minus one fundamental charge, $q=-e$, and from the
520         combination of Thomson's and Millikan's results one could
521         therefore determine the mass of a single cathode ray particle.
522         
523         %
525   fig(
526     'deflect',
527     %q{%
528       Thomson's experiment proving cathode rays had electric charge
529               (redrawn from his original paper). The cathode, c, and anode, A, are
530               as in any cathode ray tube. The rays pass through a slit in the anode,
531               and a second slit, B, is interposed in order to make the beam thinner
532               and eliminate rays that were not going straight. Charging plates D and
533               E shows that cathode rays have charge: they are attracted toward the
534               positive plate D and repelled by the negative plate E.
535     },
536     {
537       'width'=>'wide',
538       'sidecaption'=>true
539     }
540   )
543         The basic technique for determining $m/q$ was simply to
544         measure the angle through which the charged plates bent the
545         beam. The electric force acting on a cathode ray particle
546         while it was between the plates was
547         \begin{equation*}
548                         F_{elec}        =  qE      \qquad   .  
549         \end{equation*}
550         By Newton's second law, $a=F/m$, we can find
551         $m/q$:
552         \begin{equation*}
553                         \frac{m}{q}        =      \frac{E}{a}
554         \end{equation*}
556         There was just one catch. Thomson needed to know the cathode
557         ray particles' velocity in order to figure out their
558         acceleration. At that point, however, nobody had even an
559         educated guess as to the speed of the cathode rays produced
560         in a given vacuum tube. The beam appeared to leap across the
561         vacuum tube practically instantaneously, so it was no simple
562         matter of timing it with a stopwatch!
564         Thomson's clever solution was to observe the effect of both
565         electric and magnetic forces on the beam. The magnetic force
566         exerted by a particular magnet would depend on both the
567         cathode ray's charge and its speed:
568         \begin{equation*}
569                         F_{mag}        =      qvB
570         \end{equation*}
572         Thomson played with the electric and magnetic forces until
573         either one would produce an equal effect on the beam,
574         allowing him to solve for the speed,
576         \begin{equation*}
577                         v    =     \frac{E}{B}  \qquad   .  
578         \end{equation*}
580         Knowing the speed (which was on the order of 10\% of the
581         speed of light for his setup), he was able to find the
582         acceleration and thus the mass-to-charge ratio $m/q$.
583         Thomson's techniques were relatively crude (or perhaps more
584         charitably we could say that they stretched the state of the
585         art of the time), so with various methods he came up with
586         $m/q$ values that ranged over about a factor of two, even
587         for cathode rays extracted from a cathode made of a single
588         material. The best modern value is
589         $m/q=5.69\times10^{-12}$ kg/C, which is consistent with the low
590         end of Thomson's range.
592   <% end_sec('thompson-experiment') %>
593   <% begin_sec("The cathode ray as a subatomic particle: the electron",nil,'cathode-rays-are-subatomic') %>\index{electron}
594         What was significant about Thomson's experiment was not the
595         actual numerical value of $m/q$, however, so much as the
596         fact that, combined with Millikan's value of the fundamental
597         charge, it gave a mass for the cathode ray particles that
598         was thousands of times smaller than the mass of even the
599         lightest atoms. Even without Millikan's results, which were
600         14 years in the future, Thomson recognized that the cathode
601         rays' $m/q$ was thousands of times smaller than the
602         $m/q$ ratios that had been measured for electrically charged
603         atoms in chemical solutions. He correctly interpreted this
604         as evidence that the cathode rays were smaller building
605         blocks --- he called them \emph{electrons} --- out of which
606         atoms themselves were formed. This was an extremely radical
607         claim, coming at a time when atoms had not yet been proven
608         to exist! Even those who used the word ``atom'' often
609         considered them no more than mathematical abstractions, not
610         literal objects. The idea of searching for structure inside
611         of ``unsplittable'' atoms was seen by some as lunacy, but
612         within ten years Thomson's ideas had been amply verified by
613         many more detailed experiments.
616 \startdqs
618 \begin{dq}
619         Thomson started to become convinced during his experiments
620         that the ``cathode rays'' observed coming from the cathodes
621         of vacuum tubes were building blocks of atoms --- what we
622         now call electrons. He then carried out observations with
623         cathodes made of a variety of metals, and found that $m/q$
624         was roughly the same in every case, considering his limited
625         accuracy. Given his suspicion, why did it make sense to try
626         different metals? How would the consistent values of $m/q$
627         test his hypothesis?
628 \end{dq}
630 \begin{dq}
631         My students have frequently asked whether the $m/q$ that
632         Thomson measured was the value for a single electron, or for
633         the whole beam. Can you answer this question?
634 \end{dq}
636 \begin{dq}
637         Thomson found that the $m/q$ of an electron was thousands
638         of times smaller than that of charged atoms in chemical
639         solutions. Would this imply that the electrons had more
640         charge? Less mass? Would there be no way to tell? Explain.
641         Remember that Millikan's results were still many years in
642         the future, so $q$ was unknown.
643 \end{dq}
645 \begin{dq}
646         Can you guess any practical reason why Thomson couldn't
647         just let one electron fly across the gap before disconnecting
648         the battery and turning off the beam, and then measure the
649         amount of charge deposited on the anode, thus allowing him
650         to measure the charge of a single electron directly?
651 \end{dq}
653 \begin{dq}
654         Why is it not possible to determine $m$ and $q$
655         themselves, rather than just their ratio, by observing
656         electrons' motion in electric and magnetic fields?
657 \end{dq}
659  %%----------------------------------------------
660   <% end_sec('cathode-rays-are-subatomic') %>
661   <% begin_sec("The raisin cookie model",nil,'raisin-cookie') %>
662         Based on his experiments, Thomson proposed a picture of the
663         atom which became known as the \index{atom!raisin-cookie
664         model of}\index{raisin cookie model}raisin cookie model.
665         In the neutral atom, \ref{fig:raisincookie}, there are four
666         electrons with a total charge of $-4e$, sitting in a sphere
667         (the ``cookie'') with a charge of $+4e$ spread throughout
668         it. It was known that chemical reactions could not change
669         one element into another, so in Thomson's scenario, each
670         element's cookie sphere had a permanently fixed radius,
671         mass, and positive charge, different from those of other
672         elements. The electrons, however, were not a permanent
673         feature of the atom, and could be tacked on or pulled out to
674         make charged ions. Although we now know, for instance, that
675         a neutral atom with four electrons is the element beryllium,
676         scientists at the time did not know how many electrons the
677         various neutral atoms possessed.
678 <% marg(0) %>
680   fig(
681     'raisincookie',
682     %q{%
683       The raisin cookie model of the atom with four units of charge,
684               which we now know to be beryllium.
685     }
686   )
688 <% end_marg %>
690         This model is clearly different from the one you've learned
691         in grade school or through popular culture, where the
692         positive charge is concentrated in a tiny nucleus at the
693         atom's center. An equally important change in ideas about
694         the atom has been the realization that atoms and their
695         constituent subatomic particles behave entirely differently
696         from objects on the human scale. For instance, we'll see
697         later that an electron can be in more than one place at one
698         time. The raisin cookie model was part of a long tradition
699         of attempts to make mechanical models of phenomena, and
700         Thomson and his contemporaries never questioned the
701         appropriateness of building a mental model of an atom as a
702         machine with little parts inside. Today, mechanical models
703         of atoms are still used (for instance the tinker-toy-style
704         molecular modeling kits like the ones used by Watson and
705         Crick to figure out the double helix structure of DNA), but
706         scientists realize that the physical objects are only aids
707         to help our brains' symbolic and visual processes think about atoms.
709         Although there was no clear-cut experimental evidence for
710         many of the details of the raisin cookie model, physicists
711         went ahead and started working out its implications. For
712         instance, suppose you had a four-electron atom. All four
713         electrons would be repelling each other, but they would also
714         all be attracted toward the center of the ``cookie'' sphere.
715         The result should be some kind of stable, symmetric
716         arrangement in which all the forces canceled out. People
717         sufficiently clever with math soon showed that the electrons
718         in a four-electron atom should settle down at the vertices
719         of a pyramid with one less side than the Egyptian kind, i.e.,
720         a regular tetrahedron. This deduction turns out to be wrong
721         because it was based on incorrect features of the model, but
722         the model also had many successes, a few of which we will now discuss.
724 \begin{eg}{Flow of electrical charge in wires}
725                 One of my former students was the son of an electrician, and
726         had become an electrician himself. He related to me how his
727         father had remained refused to believe all his life that
728         electrons really flowed through wires. If they had, he
729         reasoned, the metal would have gradually become more and
730         more damaged, eventually crumbling to dust.
732                 His opinion is not at all unreasonable based on the fact
733         that electrons are material particles, and that matter
734         cannot normally pass through matter without making a hole
735         through it. Nineteenth-century physicists would have shared
736         his objection to a charged-particle model of the flow of
737         electrical charge. In the raisin-cookie model, however,
738         the electrons are very low in mass, and therefore presumably
739         very small in size as well. It is not surprising that they
740         can slip between the atoms without damaging them.
741 \end{eg}
742 \begin{eg}{Flow of electrical charge across cell membranes}
743                 Your nervous system is based on signals carried by charge
744         moving from nerve cell to nerve cell. Your body is
745         essentially all liquid, and atoms in a liquid are mobile.
746         This means that, unlike the case of charge flowing in a
747         solid wire, entire charged atoms can flow in your nervous system
748 \end{eg}
750 \begin{eg}{Emission of electrons in a cathode ray tube}
751                 Why do electrons detach themselves from the cathode of a
752         vacuum tube? Certainly they are encouraged to do so by the
753         repulsion of the negative charge placed on the cathode and
754         the attraction from the net positive charge of the anode,
755         but these are not strong enough to rip electrons out of
756         atoms by main force --- if they were, then the entire
757         apparatus would have been instantly vaporized as every atom
758         was simultaneously ripped apart!
760                 The raisin cookie model leads to a simple explanation. We
761         know that heat is the energy of random motion of atoms. The
762         atoms in any object are therefore violently jostling each
763         other all the time, and a few of these collisions are
764         violent enough to knock electrons out of atoms. If this
765         occurs near the surface of a solid object, the electron may
766         can come loose. Ordinarily, however, this loss of electrons
767         is a self-limiting process; the loss of electrons leaves the
768         object with a net positive charge, which attracts the lost
769         sheep home to the fold. (For objects immersed in air rather
770         than vacuum, there will also be a balanced exchange of
771         electrons between the air and the object.)
773                 This interpretation explains the warm and friendly yellow
774         glow of the vacuum tubes in an antique radio. To encourage
775         the emission of electrons from the vacuum tubes' cathodes,
776         the cathodes are intentionally warmed up with little heater coils.
777 \end{eg}
780 \startdqs
782 \begin{dq}
783         Today many people would define an ion as an atom (or
784         molecule) with missing electrons or extra electrons added
785         on. How would people have defined the word ``ion'' before
786         the discovery of the electron?
787 \end{dq}
789 \begin{dq}
790         Since electrically neutral atoms were known to exist,
791         there had to be positively charged subatomic stuff to cancel
792         out the negatively charged electrons in an atom. Based on
793         the state of knowledge immediately after the Millikan and
794         Thomson experiments, was it possible that the positively
795         charged stuff had an unquantized amount of charge? Could it
796         be quantized in units of +e? In units of +2e? In units of +5/7e?
797 \end{dq}
799   <% end_sec('raisin-cookie') %> % The raisin cookie model
800 <% end_sec('electron') %> % The electron
802 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
803 __incl(text/nucleus)
804 __incl(text/biological_effects_of_radiation)
805 __incl(text/nucleosynthesis)
806 <% end_sec('nucleus') %>
807 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
810 <% begin_sec("Relativistic mass and energy",nil,'reldynamics') %>
811 The radioactive decay processes described in this chapter do not conserve mass.
812 For example, you're probably reading this in a building that has smoke detectors
813 containing the isotope $^{241}\zu{Am}$, an alpha emitter. The decay products are
814 a helium atom plus an atom of $^{237}\zu{Np}$. In units of $10^{-27}\ \kgunit$,
815 the masses involved are:
817 \noindent\begin{tabular}{lr}
818   $^{241}\zu{Am}$ & 400.28421 \\
819   $^{237}\zu{Np}$ & 393.62768 \\
820   $^4\zu{He}$     & 6.64647
821 \end{tabular}
823 The final state has a total mass of 400.27415 of these units, meaning a loss of
824 0.01006. This is an example of Einstein's famous $E=mc^2$ at work: some mass has
825 been converted into energy. In fact this type of mass-energy conversion is not
826 just a property of nuclear decay. It is an example of a much wider set of
827 phenomena in relativity. Let's see how quantities like mass, force, momentum,
828 and energy behave relativistically.
830   <% begin_sec("Momentum",nil,'rel-momentum') %>\index{momentum!relativistic}
831 Consider the following scheme for traveling faster than the speed of light.
832 The basic idea can be demonstrated by dropping a ping-pong ball and a baseball
833 stacked on top of each other like a snowman. They separate slightly in mid-air,
834 and the baseball therefore has time to hit the floor and rebound before it
835 collides with the ping-pong ball, which is still on the way down. The result is
836 a surprise if you haven't seen it before: the ping-pong ball flies off at high
837 speed and hits the ceiling! A similar fact is known to people who investigate the
838 scenes of accidents involving pedestrians. If a car moving at 90 kilometers per
839 hour hits a pedestrian, the pedestrian flies off at nearly double that speed, 180
840 kilometers per hour. Now suppose the car was moving at 90 percent of the speed of
841 light. Would the pedestrian fly off at 180\% of $c$?
843 \vspace{15mm}
845 To see why not, we have to back up a little and think about where this speed-doubling
846 result comes from. 
847 For any collision, there is a special frame of reference, the center-of-mass frame,
848 in which the two colliding objects approach each other,
849 collide, and rebound with their velocities reversed. In the center-of-mass frame,
850 the total momentum of the objects is zero both before and after the collision.
853   fig(
854     'unequalcollision',
855     %q{%
856       An unequal collision, viewed in the center-of-mass frame, 1, and
857       in the frame where the small ball is initially at rest, 2. The motion is shown as it
858       would appear on the film of an old-fashioned movie camera, with an equal amount of time separating
859       each frame from the next. Film 1 was made by a camera that tracked the center of mass, film 2 by
860       one that was initially tracking the small ball, and kept on moving at the same speed after the collision.
861     },
862     {
863       'width'=>'wide',
864       'sidecaption'=>true
865     }
866   )
869 Figure \subfigref{unequalcollision}{1} shows such a frame of reference for objects of very unequal mass.
870 Before the collision, the large ball is moving relatively slowly toward the top of the page, but
871 because of its greater mass, its momentum cancels the momentum of the smaller ball, which is
872 moving rapidly in the opposite direction. The total momentum is zero. After the collision, the
873 two balls just reverse their directions of motion. We know that this is the
874 right result for the outcome of the collision because
875 it conserves both momentum and kinetic energy, and everything not forbidden is compulsory, i.e.,
876 in any experiment, there is only one possible outcome, which is the one that obeys all the
877 conservation laws.
879 <% self_check('unequalcollisioncons',<<-'SELF_CHECK'
880 How do we know that momentum and kinetic energy are conserved
881 in figure \subfigref{unequalcollision}{1}?
882   SELF_CHECK
883   ) %>
885 Let's make up some numbers as an example. Say the small ball is 1 kg, the big
886 one 6 kg. In frame 1, let's make the velocities as follows:
888 <% if is_print then
889 print %q(
890 \\newcommand{\\smallvelocitytable}[6]{%
891 \\noindent\\hspace{5mm}\\begin{tabular}{|p{4mm}|p{40mm}|p{40mm}|}
892 \\hline
893  & before the collision
894        & after the collision  \\\\
895 \\hline
896 \\anonymousinlinefig{#5} & #1 & #2  \\\\
897 \\anonymousinlinefig{#6} & #3 & #4  \\\\
898 \\hline
899 \\end{tabular}
906 def small_vel_table(a,b,c,d)
907 if is_print then
908   return "\\smallvelocitytable{#{a}}{#{b}}{#{c}}{#{d}}{../../../share/relativity/figs/smallball}{../../../share/relativity/figs/bigball}"
910 if is_web then
911 return %Q(
912 \\noindent\\begin{tabular}{|p{4mm}|p{40mm}|p{40mm}|}
913 \\hline
914  & before the collision
915        & after the collision  \\\\
916 \\hline
917 small ball & #{a} & #{b}  \\\\
918 big ball & #{c} & #{d}  \\\\
919 \\hline
920 \\end{tabular}
926 <% print small_vel_table(-0.6,0.6,0.1,-0.1) %>
928 Figure \subfigref{unequalcollision}{2} shows the same collision in a frame of reference where
929 the small ball was initially at rest.
930  To find all the velocities in this frame, we
931 just add 0.6 to all the ones in the previous table.
933 <% print small_vel_table(0,1.2,0.7,0.5) %>
935 \noindent In this frame, as expected, the small ball flies off with a velocity, 1.2, that
936 is almost twice the initial velocity of the big ball, 0.7. In this example the ratio of the
937 two balls' masses was 6, but if the ratio of the masses is made larger and larger, the ratio
938 of the velocities gets closer and closer to 2.
940 If all those velocities were in meters per second, then that's exactly what would happen. But
941 what if all these velocities were in units of the speed of light? Now it's no longer a good
942 approximation just to add velocities. We need to combine them according to the relativistic
943 rules. For instance,  in problem \ref{hw:six-tenths-c-twice}
944 on p.~\pageref{hw:six-tenths-c-twice} you showed that
945 combining a velocity of 0.6 times the
946 speed of light with another velocity of 0.6 results in 0.88, not 1.2. The results are very different:
948 <% print small_vel_table(0,0.88,0.67,0.51) %>
950 % initial velocities in cm = 0.600, .124
953   fig(
954     'unequalrel',
955     %q{%
956       A 6-kg ball moving at 88\% of the speed of light hits a 1-kg ball. The balls
957       appear foreshortened due to the relativistic distortion of space.
958     },
959     {
960       'width'=>'wide',
961       'sidecaption'=>true
962     }
963   )
966 We can interpret this as follows. Figure \subfigref{unequalcollision}{1} is one in which the
967 big ball is moving fairly slowly. This is very nearly the way the scene would be seen by an
968 ant standing on the big ball. According to an observer in frame \figref{unequalrel}, however,
969 both balls are moving at nearly the speed of light after the collision. Because of this, the
970 balls appear foreshortened, but the distance between the two balls is also shortened. To this
971 observer, it seems that the small ball isn't pulling away from the big ball very fast.
973 Now here's what's interesting about all this. The outcome shown in figure \subfigref{unequalcollision}{2}
974 was supposed to be the only one possible, the only one that satisfied both conservation of energy
975 and conservation of momentum. So how can the \emph{different} result shown in figure
976 \figref{unequalrel} be possible? The answer is that relativistically, momentum must not equal
977 $mv$. The old, familiar definition is only an approximation that's valid at low speeds. If
978 we observe the behavior of the small ball in figure \figref{unequalrel}, it looks as though it
979 somehow had some extra inertia. It's as though a football player tried to knock another player
980 down without realizing that the other guy had a three-hundred-pound bag full of lead shot
981 hidden under his uniform --- he just doesn't seem to react to the collision as much as he should.
982 This extra inertia is described\footnote{See p.~\pageref{rel-momentum-proof} for a proof.} by redefining momentum as
983 \begin{equation*}
984         p = m \mygamma v \qquad .
985 \end{equation*}
986 At very low velocities, $\mygamma$ is close to 1, and the result is very nearly $mv$, as demanded
987 by the correspondence principle. But at very high velocities, $\mygamma$ gets very big --- the
988 small ball in figure \figref{unequalrel} has a $\mygamma$ of 2.1, and therefore has more than double
989 the inertia that we would expect nonrelativistically.\index{correspondence principle!for relativistic momentum}
991 This also explains the answer to another paradox often posed by beginners at relativity.
992 Suppose you keep on applying a steady force to an object that's already moving at $0.9999c$.
993 Why doesn't it just keep on speeding up past $c$? The answer is that force is the rate of
994 change of momentum. At $0.9999c$, an object already has a $\mygamma$ of 71, and therefore
995 has already sucked up 71 times the momentum you'd expect at that speed. As its velocity gets closer and
996 closer to $c$, its $\mygamma$ approaches infinity. To move at $c$, it would need an infinite
997 momentum, which could only be caused by an infinite force.
999 m4_include(../share/relativity/eg/bertozzi.tex)
1002   <% end_sec('rel-momentum') %>
1003   <% begin_sec("Equivalence of mass and energy",nil,'mass-energy') %>\index{energy!equivalence to mass}\index{mass!equivalence to energy}\label{mass-energy-equivalence}
1004 Now we're ready to see why mass and energy must be equivalent as claimed
1005 in the famous $E=mc^2$. So far we've only considered collisions
1006 in which none of the kinetic energy is converted into any other form
1007 of energy, such as heat or sound.
1008 Let's consider what happens if a blob of putty moving at
1009 velocity $v$ hits another blob that is initially at rest,
1010 sticking to it.  The nonrelativistic result is
1011 that to obey conservation of momentum the two blobs must fly
1012 off together at $v/2$. Half of the initial kinetic energy
1013 has been converted to heat.\footnote{A double-mass object moving
1014 at half the speed does not have the same kinetic energy. Kinetic
1015 energy depends on the square of the velocity, so cutting the velocity
1016 in half reduces the energy by a factor of 1/4, which, multiplied
1017 by the doubled mass, makes 1/2 the original energy.}
1019 Relativistically, however, an interesting thing happens. A
1020 hot object has more momentum than a cold object! This is
1021 because the relativistically correct expression for momentum
1022 is $m\mygamma v$, and the more rapidly moving atoms in the hot
1023 object have higher values of $\mygamma$.
1024 In our collision, the final combined blob must therefore be
1025 moving a little more slowly than the expected $v/2$, since
1026 otherwise the final momentum would have been a little
1027 greater than the initial momentum. To an observer who
1028 believes in conservation of momentum and knows only about
1029 the overall motion of the objects and not about their heat
1030 content, the low velocity after the collision would seem
1031 to be the result of a magical change in the mass, as if the mass
1032 of two combined, hot blobs of putty was more than the sum of
1033 their individual masses.
1035 We know that the masses of all the atoms in the blobs
1036 must be the same as they always were. The change is due to
1037 the change in $\mygamma$ with heating, not to a change in mass.
1038 The heat energy, however, seems to be acting as if it was
1039 equivalent to some extra mass. If the quantity of heat is $E$, then
1040 it turns out that the extra mass $m$ is such that $E=mc^2$ (proof, p.~\pageref{rel-energy-proof}).
1043 But this whole argument was based on the fact that heat is a
1044 form of kinetic energy at the atomic level. Would $E=mc^2$
1045 apply to other forms of energy as well? Suppose a rocket
1046 ship contains some electrical energy stored in a
1047 battery. If we believed that $E=mc^2$ applied to forms of
1048 kinetic energy but not to electrical energy, then
1049 we would have to believe that the pilot of the rocket could
1050 slow the ship down by using the battery to run a heater!
1051 This would not only be strange, but it would violate the
1052 principle of relativity, because the result of the
1053 experiment would be different depending on whether the ship
1054 was at rest or not. The only logical conclusion is that all
1055 forms of energy are equivalent to mass. Running the heater
1056 then has no effect on the motion of the ship, because the
1057 total energy in the ship was unchanged; one form of energy (electrical)
1058 was simply converted to another (heat).
1060 The equation $E=mc^2$
1061 tells us how much energy is equivalent to how much mass: the conversion factor is the square
1062 of the speed of light, $c$. Since $c$ a big number, you get a really really big number
1063 when you multiply it by itself to get $c^2$. This means that even a small amount of mass
1064 is equivalent to a very large amount of energy. 
1065 <% marg(-90) %>
1067   fig(
1068     'newspaper-eclipse',
1069     %q{%
1070       A New York Times headline from November 10, 1919, describing
1071       the observations discussed in example \ref{eg:eclipse}.
1072     }
1073   )
1075 <% end_marg %>
1078   fig(
1079     'eclipse',
1080     %q{Example \ref{eg:eclipse}.},
1081     {
1082       'width'=>'wide'
1083     }
1084   )
1087 \begin{eg}{Gravity bending light}\label{eg:eclipse}
1088 Gravity is a universal attraction between things that have mass, and since the energy
1089 in a beam of light is equivalent to some very small amount of mass, we expect that
1090 light will be affected by gravity, although the effect should be very small.
1091 The first important experimental confirmation of relativity
1092 came in 1919 when stars next to the sun during a solar eclipse were
1093 observed to have shifted a little from their ordinary
1094 position. (If there was no eclipse, the glare of the sun
1095 would prevent the stars from being observed.) Starlight had
1096 been deflected by the sun's gravity. Figure \figref{eclipse} is a
1097 photographic negative, so the circle that appears bright is actually the
1098 dark face of the moon, and the dark area is really the bright corona of
1099 the sun. The stars, marked by lines above and below them, appeared at
1100 positions slightly different than their normal ones.
1101 \end{eg}
1103 \begin{eg}{Black holes}\index{black hole}
1104 A star with sufficiently strong gravity can prevent light
1105 from leaving. Quite a few black holes have been detected via
1106 their gravitational forces on neighboring stars or clouds of gas and dust.
1107 \end{eg}
1110 You've learned about conservation of mass and conservation of energy, but
1111 now we see that they're not even separate conservation laws.
1112 As a consequence of the theory of relativity,  mass and energy are equivalent, and
1113 are not separately conserved --- one can be converted into the other. Imagine that
1114 a magician waves his wand, and changes a bowl of dirt into a bowl of lettuce. You'd be
1115 impressed, because you were expecting that both dirt and lettuce would be conserved
1116 quantities. Neither one can be made to vanish, or to appear out of thin air. However,
1117 there are processes that can change one into the other. A farmer changes dirt into
1118 lettuce, and a compost heap changes lettuce into dirt. At the most fundamental
1119 level, lettuce and dirt aren't really different things at all; they're just collections
1120 of the same kinds of atoms --- carbon, hydrogen, and so on.
1121 Because mass and energy are like two different sides of the same coin, we may speak of
1122 mass-energy, a single conserved quantity, found by adding up all the mass and energy,
1123 with the appropriate conversion factor: $E+mc^2$.\index{mass-energy!conservation of}
1125 \begin{eg}{A rusting nail}\label{eg:rustingnail}
1126 \egquestion
1127 An iron nail is left in a cup of water
1128 until it turns entirely to rust. The energy released is
1129 about 0.5 MJ. In theory, would a sufficiently
1130 precise scale register a change in mass? If so, how much?
1132 \eganswer
1133  The energy will appear as heat, which will be lost
1134 to the environment. The total mass-energy of the cup,
1135 water, and iron will indeed be lessened by 0.5 MJ. (If it
1136 had been perfectly insulated, there would have been no
1137 change, since the heat energy would have been trapped in the
1138 cup.) The speed of light is
1139 $c=3\times10^8$ meters per second, so converting to mass units, we have
1140 \begin{align*}
1141                 m         &=    \frac{E}{c^2}  \\
1142                         &= \frac{0.5\times10^6\ \junit}{\left(3\times10^8\ \munit/\sunit\right)^2} \\
1143                          &=    6\times10^{-12}\  \text{kilograms}   \qquad   .
1144 \end{align*}
1145 The change in mass is too small to measure with any
1146 practical technique. This is because the square of the speed
1147 of light is such a large number.
1148 \end{eg}
1150 \begin{eg}{Electron-positron annihilation}\index{positron}
1151 Natural radioactivity in the earth produces positrons, which are like electrons but have the
1152 opposite charge. A form of antimatter, positrons annihilate with electrons to produce gamma
1153 rays, a form of high-frequency light. Such a process would have been considered impossible
1154 before Einstein, because conservation of mass and energy were believed to be separate
1155 principles, and this process eliminates 100\% of the original mass. The amount of energy
1156 produced by annihilating 1 kg of matter with 1 kg of antimatter is
1157 \begin{align*}
1158  E &= mc^2\\
1159    &= (2\ \kgunit)\left(3.0\times10^8\ \munit/\sunit\right)^2\\
1160    &= 2\times10^{17}\ \junit \qquad ,
1161 \end{align*}
1162 which is on the same order of magnitude as a day's energy consumption for the
1163 entire world's population!
1165 Positron annihilation forms the basis for the medical imaging technique called
1166 a PET (positron emission tomography) scan, in which a positron-emitting chemical
1167 is injected into the patient and map\-ped by the emission of gamma rays from the parts
1168 of the body where it accumulates.
1169 \end{eg}
1170 <% marg(140) %>
1172   fig(
1173     'pet',
1174     %q{Top: A PET scanner. Middle: Each positron annihilates with an electron, producing two gamma-rays that fly off back-to-back.
1175        When two gamma rays are observed simultaneously in the ring of detectors, they are assumed to come from the same
1176        annihilation event, and the point at which they were emitted must lie on the line connecting the two detectors.
1177        Bottom: A scan of a person's torso. The body has concentrated the radioactive tracer around the stomach, indicating
1178        an abnormal medical condition.}
1179   )
1181 <% end_marg %>
1183 One commonly hears some misinterpretations of $E=mc^2$, one being that the equation tells us
1184 how much kinetic energy an object would have if it was moving at the speed of light. This
1185 wouldn't make much sense, both because the equation for kinetic energy has $1/2$ in it, $KE=(1/2)mv^2$, and
1186 because a material object can't be made to move at the speed of light. However, this naturally leads to the
1187 question of just how much mass-energy a moving object has. We know that when the object is at rest, it
1188 has no kinetic energy, so its mass-energy is simply equal to the energy-equivalent of its mass, $mc^2$,
1189 \begin{equation*}
1190   \massenergy = mc^2 \ \text{when}\ v=0 \qquad ,
1191 \end{equation*}
1192 where the symbol $\massenergy$ (cursive ``E'') stands for mass-energy. The point of using the new symbol is simply
1193 to remind ourselves that we're talking about relativity, so an object at rest has $\massenergy=mc^2$, not
1194 $E=0$ as we'd assume in classical physics.
1196 Suppose we start accelerating the object with a constant force. A constant force means a constant
1197 rate of transfer of momentum, but $p=m\mygamma v$ approaches infinity as $v$ approaches $c$, so the object
1198 will only get closer and closer to the speed of light, but never reach it. Now what about the work being
1199 done by the force? The force keeps doing work and doing work, which means that we keep on using up
1200 energy. Mass-energy is conserved, so the energy being expended must equal the increase in the object's
1201 mass-energy. We can continue this process for as long as we like, and the amount of mass-energy
1202 will increase without limit. We therefore conclude that an object's mass-energy approaches infinity
1203 as its speed approaches the speed of light,
1204 \begin{equation*}
1205   \massenergy \rightarrow \infty\ \text{when}\ v \rightarrow c \qquad .
1206 \end{equation*}
1208 \index{mass-energy!of a moving particle}
1209 Now that we have some idea what to expect, what is the actual equation for the mass-energy? 
1210 As proved in my book \emph{Simple Nature}, it is
1211 \begin{equation*}
1212   \massenergy =m\mygamma c^2 \qquad .
1213 \end{equation*}
1215 <% self_check('mass-energy',<<-'SELF_CHECK'
1216 Verify that this equation has the two properties we wanted.
1217   SELF_CHECK
1218   ) %>
1220 \begin{eg}{KE compared to $mc^2$ at low speeds}\label{eg:massenergy-low-speed}
1221 \egquestion An object is moving at ordinary nonrelativistic speeds. Compare its
1222 kinetic energy to the energy $mc^2$ it has purely because of its mass.
1224 \eganswer The speed of light is a very big number, so $mc^2$ is a huge number of
1225 joules. The object has a gigantic amount of energy because of its mass, and only
1226 a relatively small amount of additional kinetic energy because of its motion.
1228 Another way of seeing this is that at low speeds, $\mygamma$ is only a tiny bit
1229 greater than 1, so $\massenergy$ is only a tiny bit greater than $mc^2$.
1230 \end{eg}
1232 \begin{eg}{The correspondence principle for mass-energy}\index{mass-energy!correspondence principle}\index{correspondence principle!for mass-energy}
1233 \egquestion Show that the equation $\massenergy=m\mygamma c^2$ obeys the correspondence principle.
1235 \eganswer As we accelerate an object from rest, its mass-energy becomes greater than
1236 its resting value. We interpret this excess mass-energy as the object's
1237 kinetic energy,
1238 \begin{align*}
1239   KE   &= \massenergy(v)-\massenergy(v=0) \\
1240        &= m\mygamma c^2 - m c^2 \\
1241        &= m(\mygamma-1)c^2 \qquad .
1242 \end{align*}
1243 In example \ref{eg:gamma-for-low-v} on page \pageref{eg:gamma-for-low-v}, we found
1244 $\mygamma\approx 1+v^2/2c^2$, so
1245 \begin{align*}
1246   KE   &\approx m(1+\frac{v^2}{2c^2}-1)c^2 \\
1247        &= \frac{1}{2}mv^2 \qquad ,
1248 \end{align*}
1249 which is the nonrelativistic expression. As demanded by the correspondence principle,
1250 relativity agrees with nonrelativistic physics at speeds that are small compared to
1251 the speed of light.
1252 \end{eg}
1254   <% end_sec('mass-energy') %>
1255 <% end_sec('reldynamics') %> % Relativistic mass and energy
1257 <% begin_sec("Proofs",nil,'rel-p-and-e-proofs',{'optional'=>true}) %>
1258 In section \ref{sec:reldynamics} I gave physical arguments to the effect that relativistic momentum should be greater than
1259 $mv$ and that an energy $E$ should be equivalent relativistically to some amount of mass $m$.
1260 In this section I'll prove that the relativistic equations are as claimed: $p=m\mygamma v$ and $E=mc^2$.
1261 The structure of the proofs is essentially the same as in two famous 1905 papers by Einstein,
1262 ``On the electrodynamics of moving bodies'' and ``Does the inertia of a body depend upon its energy content?''
1263 If you're interested in reading these arguments as Einstein originally wrote them, you can find English
1264 translations at \verb@www.fourmilab.ch@. We start off by proving two preliminary results relating
1265 to Doppler shifts.
1267   <% begin_sec("Transformation of the fields in a light wave",nil,'eb-lorentz') %>
1268 On p.~\pageref{subsec:doppler-light} I showed that when a light wave is observed in two different frames
1269 in different states of motion parallel to the wave's direction of motion, the frequency is observed to
1270 be Doppler-shifted by a factor $D(v)=\sqrt{(1-v)/(1+v)}$, where $c=1$ and $v$ is the relative velocity of the two frames. 
1271 But a change in frequency is not the only change we expect. We also expect the \emph{intensity} of the wave to
1272 change, since a combination of electric and magnetic fields
1273 observed in one frame of reference becomes some other set of fields in a different frame (p.~\pageref{relativity-requires-magnetism}).
1274 There are equations that express this transformation from $\vc{E}$ and $\vc{B}$ to $\vc{E}'$ and $\vc{B}'$, but they're
1275 a little complicated, so instead we'll just determine what happens in the special case of an electromagnetic wave.
1277 Since the transformation of $\vc{E}$ and $\vc{B}$ to $\vc{E}'$ and $\vc{B}'$ is a universal thing, we're free to
1278 imagine that the wave was created in any way we wish. 
1279 Suppose that it was created by a uniform sheet of charge in the $x$-$y$ plane, oscillating in the $y$ direction with
1280 amplitude $A$ and frequency $f$.
1281 This will clearly produce electromagnetic waves propagating in the $+z$ and $-z$ directions, and
1282 by an argument similar to that of problem \ref{hw:field-of-sheet-by-scaling} on p.~\pageref{hw:field-of-sheet-by-scaling},
1283 we know that these waves' intensity will not fall off at all with distance from the sheet. Since magnetic fields are produced
1284 by currents, and the currents produced by the motion of the sheet are proportional to $Af$, the amplitude of the magnetic field in the
1285 wave is proportional to $Af$. The oscillating magnetic field induces an electric field, and since electromagnetic waves always have
1286 $E=Bc$, the oscillating part of the electric field is also proportional of $Af$.
1288 An observer moving away from the sheet sees a sheet that is both oscillating more slowly ($f$ is Doppler-shifted to $fD$)
1289 and receding. But the recession has no effect, because the fields don't fall off with distance. Also, $A$ stays the
1290 same, because the Lorentz transformation has no effect on lengths perpendicular to the relative motion of the two frames.
1291 Since the fields are proportional to $Af$, the fields seen by the receding observer are attenuated by a factor of $D$.
1292   <% end_sec('eb-lorentz') %> % Transformation of the fields in a light wave
1293   <% begin_sec("Transformation of the volume of a light wave",nil,'em-vol-transformation') %>
1294 Since the fields in an electromagnetic wave are changed by a factor of $D$ when we change frames, we might expect that the wave's energy
1295 would change by a factor of $D^2$. But the square of the field only gives the energy per unit volume, and the volume
1296 changes as well. The following argument shows that the volume increases by a factor of $1/D$.
1298 If an electromagnetic wave-train has duration $\Delta t$, we already know that its duration changes by a factor of $1/D$ when we change to a different
1299 frame of reference. But the speed of light is the same for all observers, so if the length of the wave-train is
1300 $\Delta z$, all observers must agree on the value of $\Delta z/\Delta t$, and $1/D$ must also be the factor 
1301 by which $\Delta z$ scales up.\footnote{At first glance, one might think that this length-scaling factor would simply be $\mygamma$, and
1302 that the volume would be reduced rather than increased.
1303 But $\mygamma$ is only the scale-down factor for the length of a thing compared to that thing's length in a frame where it is
1304 at rest. Light waves don't have a frame in which they're at rest. One can also see this from 
1305 the geometry of figure \figref{doppler-geometry} on p.~\pageref{fig:doppler-geometry}.
1306 The diagram is completely symmetric with respect to its treatment of time and space, so if we flip it
1307 across its diagonal, interchanging the roles of $z$ and $t$, we obtain the same result for the wave-train's spatial extent $\Delta z$.}
1308 Since the Lorentz transformation doesn't change $\Delta x$ or $\Delta y$, the volume of the wave-train is also increased by
1309 a factor of $1/D$.
1312   <% end_sec('em-vol-transformation') %> % Transformation of the volume of a light wave
1313   <% begin_sec("Transformation of the energy of a light wave",nil,'doppler-energy') %>\label{light-wave-energy-doppler}
1314 Combining the two preceding results, we find that when we change frames of reference, the energy \emph{density} (per unit volume) of a light
1315 wave changes by a factor of $D^2$, but the volume changes by $1/D$, so the result is that the wave's energy changes by a factor of $D$.
1316 In Einstein's words, ``It is remarkable that the energy and the frequency of a [wave-train] vary with the state of motion of the observer in accordance with the same law,''
1317 i.e., that both scale by the same factor $D$. Einstein had a reason to be especially interested in this fact. In the same
1318 ``miracle year'' of 1905, he also published a paper in which he hypothesized that light had both particle and wave properties,
1319 with the energy $E$ of a light-particle related to the frequency $f$ of the corresponding light-wave by $E=hf$, where $h$ was a constant. (More
1320 about this in ch.~\ref{ch:light-as-a-particle}.)
1321 If $E$ and $f$ had not both scaled by the same factor, then the relation $E=hf$ could not have held in all frames of reference.
1322   <% end_sec('doppler-energy') %> % Transformation of the energy of a light wave
1323   <% begin_sec("$E=mc^2$",nil,'rel-energy-proof') %>\label{rel-energy-proof}
1324 Suppose that a material object O, initially at rest, emits two light rays, each with energy $E$, in the $+z$ and $-z$ directions. O could be a lantern with windows
1325 on opposite sides, or it could be an electron and an antielectron annihilating each other to produce a pair of gamma rays.
1326 In this frame, O loses energy $2E$ and the light rays gain $2E$, so energy is conserved.
1328 We now switch to a new frame of reference moving at a certain velocity $v$ in the $z$ direction relative to the original frame.
1329 We assume that O's energy is different in this frame, but that the change in its energy amounts to multiplication by some unitless factor $x$,
1330 which depends only on $v$, since there is nothing else it could depend on that could allow us to form a unitless quantity. In this frame the light rays have energies $ED(v)$ and
1331 $ED(-v)$. If conservation of energy is to hold in the new frame as it did in the old, we must have $2xE=ED(v)+ED(-v)$.
1332 After some algebra, we find $x=1/\sqrt{1-v^2}$. In other words, an object with energy $E$ in its rest frame
1333 has energy $\mygamma E$ in a frame moving at velocity $v$ relative to the first one. Since $\mygamma$ is never zero,
1334 it follows that even an object at rest has some nonzero energy. We define this energy-at-rest as its mass,
1335 i.e., $E=m$ in units where $c=1$.
1336 <% end_sec('rel-energy-proof') %>
1337 <% begin_sec("$p=m\\mygamma v$",nil,'rel-momentum-proof') %>\label{rel-momentum-proof}
1338 Defining an object's energy-at-rest as its mass only works if this same mass is also a valid measure of inertia.
1339 More specifically, we should be able to use this mass
1340 to construct a self-consistent logical system in which (1) momentum is conserved, (2) conservation of momentum
1341 holds in all frames of reference, and (3) $p\approx mv$ for $v<<c$, satisfying the correspondence principle.
1343 Let a material object P, at rest and having mass $2E$, be completely annihilated, creating two beams of light, each with
1344 energy $E$, flying off in opposite directions. A real-world example would be if P consisted of an electron
1345 and an antielectron. As shown on p.~\pageref{fig:maxwellian-momentum-of-light}, light has momentum.
1346 Because beams of light can be split up or recombined without violating conservation of momentum, a light
1347 wave's momentum must be proportional to its energy, $|p|=yE$, where the constant of proportionality $y$ is
1348 found in problem \ref{hw:ultrarelativistic} on p.~\pageref{hw:ultrarelativistic} but not needed here. Let the momentum of
1349 a material object be $mvx$, where our goal is to prove $x=\mygamma$. In this frame of reference, $v=0$, and
1350 conservation of momentum follows by symmetry.
1352 We now change to a new frame of reference, moving at some speed $v$ along the line of emission of the two light rays.
1353 In this frame, conservation of momentum requires $2Evx=yE/D-yED$. We therefore have $vx/y=(1/D-D)/2$, which can be
1354 shown with a little algebra to equal $v\mygamma$. Since only $x$ can depend on $v$, not $y$, and the correspondence
1355 principle requires $x\approx 1$ for $v<<c$, we find that $x=\mygamma$, as claimed.
1357 Problem \ref{hw:rel-momentum-cons-frame-invariant} on p.~\pageref{hw:rel-momentum-cons-frame-invariant} checks that
1358 this result also works correctly for a system consisting of material particles.
1359 <% end_sec('rel-momentum-proof') %>
1360 <% end_sec('rel-p-and-e-proofs') %> % Proofs
1361 <% begin_sec("Two tests of Newton's third law",nil,'kreuzer',{'optional'=>true}) %>
1362 $E=mc^2$ states that a certain amount of energy $E$ is equivalent to a certain amount of mass $m$.
1363 But mass pops up in physics in several different guises:
1364 the mass measured
1365 by an object's inertia, the ``active'' gravitational mass $m_a$ that determines
1366 the gravitational forces it makes on other
1367 objects, and the ``passive'' gravitational mass $m_p$ that measures how strongly it feels
1368 gravity. Einstein's reason for
1369 predicting the same behavior for $m_a$ and $m_p$ was that anything else would have violated Newton's
1370 third law for gravitational
1371 forces.
1373 Suppose instead
1374 that an object's energy content contributes only to $m_p$, not to $m_a$. 
1375 Atomic nuclei get something like 1\% of their mass from the energy of the electric fields inside their nuclei,
1376 but this percentage varies with the number of protons, so if we have objects $m$ and $M$ with different chemical
1377 compositions, it follows that in this theory $m_p/m_a$ will not be the same as $M_p/M_a$, and in this non-Einsteinian version of relativity,
1378 Newton's third law is violated.
1380 This was tested in\index{Newton's laws of motion!third law!test of}
1381 a Princeton PhD-thesis experiment by Kreuzer\footnote{Kreuzer, Phys. Rev. 169 (1968) 1007}
1382 in 1966. Kreuzer carried out an experiment, figure \figref{kreuzer}, using masses made of two different substances. The first substance was teflon.
1383 The second substance was
1384 a mixture of the liquids trichloroethylene and dibromoethane, with the proportions chosen so as to give a passive-mass
1385 density as close as possible to that of teflon, as determined by the neutral buoyancy of the teflon masses suspended inside the liquid.
1386 If the active-mass densities of these substances are not strictly proportional to their passive-mass densities, then moving the chunk of
1387 teflon back and forth in figure \subfigref{kreuzer}{2} would change the gravitational force acting on the nearby small sphere.
1388 No such change was observed, and
1389 the results verified $m_p/m_a=M_p/M_a$ to within one part in $10^6$, in agreement with Einstein and Newton. If electrical energy had not contributed at all to
1390 active mass, then a violation of the third law would have been detected at the level of about one part in $10^2$.
1391 % my x in genrel book is deviation from unit contribution by E field to m_a; x is limited to about 10^-4, but E field only makes up only about 10^-2 of rest mass
1393 <% marg() %>
1395   fig(
1396     'kreuzer',
1397     %q{1. A balance that measures the gravitational attraction between masses $M$ and $m$. (See section \ref{sec:weighing-the-earth} for
1398           a more detailed description.) When the two masses $M$ are inserted, the fiber twists.
1399        2. A simplified diagram of Kreuzer's modification. The moving teflon mass is submerged in a liquid with nearly the same density.
1400        3. Kreuzer's actual apparatus.}
1401   )
1403 <% end_marg %>
1406 The Kreuzer result was improved in 1986 by Bartlett and van Buren\footnote{Phys. Rev. Lett. 57 (1986) 21}
1407 using data gathered by bouncing laser beams off of a mirror left behind on the moon by the Apollo astronauts,
1408 as described p.~\pageref{sec:battat}.
1409 Since the moon
1410 has an asymmetrical distribution of iron and aluminum, a theory with $m_p/m_a \ne M_p/M_a$ would cause it to have an anomalous acceleration along
1411 a certain line. The lack of any such observed acceleration limits violations of
1412 Newton's third law to about one part in $10^{10}$.
1413 % not just 1/x=10^8, for same reasons as in the other comment above
1415 <% end_sec('kreuzer') %> % Two tests of Newton's third law
1416 \begin{summary}
1418 \begin{vocab}
1420 \vocabitem{alpha particle}{a form of radioactivity consisting of helium nuclei}
1422 \vocabitem{beta particle}{a form of radioactivity consisting of electrons}
1424 \vocabitem{gamma ray}{a form of radioactivity consisting of a very
1425 high-frequency form of light}
1427 \vocabitem{proton}{a positively charged particle, one of the types
1428 that nuclei are made of}
1430 \vocabitem{neutron}{an uncharged particle, the other types that nuclei are made of}
1432 \vocabitem{isotope}{one of the possible varieties of atoms of a given
1433 element, having a certain number of neutrons}
1435 \vocabitem{atomic number}{the number of protons in an atom's nucleus;
1436 determines what element it is}
1438 \vocabitem{atomic mass}{the mass of an atom}
1440 \vocabitem{mass number}{the number of protons plus the number of
1441 neutrons in a nucleus; approximately proportional to its atomic mass}
1443 \vocabitem{strong nuclear force}{the force that holds nuclei together
1444 against electrical repulsion}
1446 \vocabitem{weak nuclear force}{the force responsible for beta decay}
1448 \vocabitem{beta decay}{the radioactive decay of a nucleus via the
1449 reaction
1450                 $\text{n} \rightarrow \text{p} + \zu{e}^- +  \bar{\nu}$
1452                 $\text{p} \rightarrow \text{n} + \zu{e}^+ + \nu$; so called because an electron
1453 or antielectron is also known as a beta particle}
1455 \vocabitem{alpha decay}{the radioactive decay of a nucleus via emission
1456 of an alpha particle}
1458 \vocabitem{fission}{the radioactive decay of a nucleus by splitting into two parts}
1460 \vocabitem{fusion}{a nuclear reaction in which two nuclei stick together
1461 to form one bigger nucleus}
1463 \vocabitem{$\mu$Sv}{a unit for measuring a person's exposure to radioactivity}
1465 \end{vocab}
1467 \begin{notation}
1468 \notationitem{$\text{e}^-$}{an electron}
1469 \notationitem{$\text{e}^+$}{an antielectron; just like an electron, but with positive charge}
1471 \notationitem{n}{a neutron}
1473 \notationitem{p}{a proton}
1475 \notationitem{$\nu$}{a neutrino}
1476 \notationitem{$\bar{\nu}$}{an antineutrino}
1477 \notationitem{$\massenergy$}{mass-energy}
1478 \end{notation}
1480 \pagebreak
1482 \begin{othernotation}
1484 \notationitem{$Z$}{atomic number (number of protons in a nucleus)}
1486 \notationitem{$N$}{number of neutrons in a nucleus}
1488 \notationitem{$A$}{mass number $(N+Z)$}
1490 \end{othernotation}
1492 \begin{summarytext}
1495 Quantization of charge: Millikan's oil drop experiment
1496 showed that the total charge of an object could only be an
1497 integer multiple of a basic unit of charge $(e)$. This
1498 supported the idea the the ``flow'' of electrical charge was
1499 the motion of tiny particles rather than the motion of some
1500 sort of mysterious electrical fluid.
1502 Einstein's analysis of Brownian motion was the first
1503 definitive proof of the existence of atoms. Thomson's
1504 experiments with vacuum tubes demonstrated the existence of
1505 a new type of microscopic particle with a very small ratio
1506 of mass to charge. Thomson correctly interpreted these as
1507 building blocks of matter even smaller than atoms: the first
1508 discovery of subatomic particles. These particles are called electrons.
1510 The above experimental evidence led to the first useful
1511 model of the interior structure of atoms, called the raisin
1512  cookie model. In the raisin cookie model, an atom
1513 consists of a relatively large, massive, positively charged
1514 sphere with a certain number of negatively charged
1515 electrons embedded in it.
1517 Rutherford and Marsden observed that some alpha particles
1518 from a beam striking a thin gold foil came back at angles up
1519 to 180 degrees. This could not be explained in the
1520 then-favored raisin-cookie model of the atom, and led to
1521 the adoption of the planetary model of the atom, in which
1522 the electrons orbit a tiny, positively-charged nucleus.
1523 Further experiments showed that the nucleus itself was a
1524 cluster of positively-charged protons and uncharged neutrons.
1526 Radioactive nuclei are those that can release energy. The
1527 most common types of radioactivity are alpha decay (the
1528 emission of a helium nucleus), beta decay (the transformation
1529 of a neutron into a proton or vice-versa), and gamma decay
1530 (the emission of a type of very-high-frequency light). Stars
1531 are powered by nuclear fusion reactions, in which two light
1532 nuclei collide and form a bigger nucleus, with the release of energy.
1534 Human exposure to ionizing radiation is measured in units of
1535 microsieverts ($\mu$Sv). The typical person is exposed to about 2000 $\mu$Sv
1536 worth of natural background radiation per year.
1538 \end{summarytext}
1540 \begin{exploring}
1541 \begin{reading}{The First Three Minutes}{Steven Weinberg}
1542 This book describes the first three minutes of the universe's
1543 existence.
1544 \end{reading}
1545 \end{exploring}
1547 \end{summary}
1549 <% begin_hw_sec %>
1551 <% begin_hw('foodtoatoms') %>
1552 Use the nutritional information on some packaged food to
1553 make an order-of-magnitude estimate of the amount of
1554 chemical energy stored in one atom of food, in units of
1555 joules. Assume that a typical atom has a mass of $10^{-26}$
1556 kg. This constitutes a rough estimate of the amounts of
1557 energy there are on the atomic scale. [See chapter \ref{ch:scaling}
1558 for help on how to do order-of-magnitude
1559 estimates. Note that a nutritional ``calorie'' is really a 
1560 kilocalorie.]\answercheck
1561 <% end_hw() %>
1563 <% begin_hw('beta-decay-charge-conservation') %>__incl(hw/beta-decay-charge-conservation)<% end_hw() %>
1565 <% begin_hw('pu-decay-products') %>__incl(hw/pu-decay-products)<% end_hw() %>
1568 <% begin_hw('uelec') %>
1569         (a) Recall that the gravitational energy of two gravitationally
1570         interacting spheres is given by $PE=-Gm_1m_2/r$, where $r$ is the
1571         center-to-center distance. What would be the analogous
1572         equation for two electrically interacting spheres? Justify
1573         your choice of a plus or minus sign on physical grounds,
1574         considering attraction and repulsion.\\
1575         (b) Use this
1576         expression to estimate the energy required to pull apart a
1577         raisin-cookie atom of the one-electron type, assuming a
1578         radius of $10^{-10}$ m.\answercheck\\
1579         (c) Compare this with the result of
1580          problem \ref{hw:foodtoatoms}.
1581 <% end_hw() %>
1583 \enlargethispage{\baselineskip}
1585 <% begin_hw('neonaccel') %>
1586         A neon light consists of a long glass tube full of neon,
1587         with metal caps on the ends.  Positive charge is placed on
1588         one end of the tube, negative on the other.  The
1589         electric forces generated can be strong enough to strip
1590         electrons off of a certain number of neon atoms.  Assume for
1591         simplicity that only one electron is ever stripped off of
1592         any neon atom.  When an electron is stripped off of an atom,
1593         both the electron and the neon atom (now an ion) have
1594         electric charge, and they are accelerated by the forces
1595         exerted by the charged ends of the tube.  (They do not feel
1596         any significant forces from the other ions and electrons
1597         within the tube, because only a tiny minority of neon atoms
1598         ever gets ionized.)  Light is finally produced when ions are
1599         reunited with electrons.  Give a numerical comparison of the magnitudes and
1600         directions of the accelerations of the electrons and ions.
1601         [You may need some data from page \pageref{datatable}.]
1602         \answercheck
1603 <% end_hw() %>
1605 <% begin_hw('hatomscancellation') %>__incl(hw/hatomscancellation)<% end_hw() %>
1607 <% marg(80) %>
1609   fig(
1610     'hw-cathode-ray-gun',
1611     %q{Problem \ref{hw:crt-speed}.}
1612   )
1614 <% end_marg %>
1616 <% begin_hw('crt-speed') %>__incl(../../share/em-dc/hw/crt-speed)<% end_hw() %>
1618 <% marg(-100) %>
1620   fig(
1621     'hw-tandem-accel',
1622     %q{Problem \ref{hw:tandem}.}
1623   )
1625 <% end_marg %>
1626 <% begin_hw('tandem') %>
1627 The figure shows a simplified diagram of a device called
1628 a tandem accelerator, used for accelerating beams of ions up
1629 to speeds on the order of 1\% of the speed of light. The
1630 nuclei of these ions collide with the nuclei of atoms in a
1631 target, producing nuclear reactions for experiments studying
1632 the structure of nuclei. The outer shell of the accelerator
1633 is a conductor at zero voltage (i.e., the same voltage as the
1634 Earth). The electrode at the center, known as the ``terminal,''
1635 is at a high positive voltage, perhaps millions of volts.
1636 Negative ions with a charge of $-1$ unit (i.e., atoms with one
1637 extra electron) are produced offstage on the right,
1638 typically by chemical reactions with cesium, which is a
1639 chemical element that has a strong tendency to give away
1640 electrons. Relatively weak electric and magnetic forces are
1641 used to transport these $-1$ ions into the accelerator, where
1642 they are attracted to the terminal. Although the center of
1643 the terminal has a hole in it to let the ions pass through,
1644 there is a very thin carbon foil there that they must
1645 physically penetrate. Passing through the foil strips off
1646 some number of electrons, changing the atom into a positive
1647 ion, with a charge of $+n$ times the fundamental charge. Now
1648 that the atom is positive, it is repelled by the terminal,
1649 and accelerates some more on its way out of the accelerator.
1650 (a) Find the velocity, $v$, of the emerging beam of positive
1651 ions, in terms of $n$, their mass $m$, the terminal voltage
1652 $V$, and fundamental constants. Neglect the small change in
1653 mass caused by the loss of electrons in the 
1654 stripper foil.\answercheck\hwendpart
1655 (b) To fuse protons with protons, a minimum beam velocity of
1656 about 11\% of the speed of light is required. What terminal
1657 voltage would be needed in this case?\answercheck\hwendpart
1658 <% end_hw() %>
1660 <% begin_hw('enterprise-ke') %>__incl(../../share/relativity/hw/enterprise-ke)<% end_hw() %>
1662 <% begin_hw('freeneutron') %>__incl(../../share/relativity/hw/freeneutron)<% end_hw() %>
1664 <% begin_hw('vintermsofp',2) %>__incl(../../share/relativity/hw/vintermsofp)<% end_hw() %>
1666 <% begin_hw('ultrarelativistic') %>__incl(../../share/relativity/hw/ultrarelativistic)<% end_hw() %>
1668 \enlargethispage{\baselineskip}
1670 <% begin_hw('relativity-max-tension') %>__incl(../../share/relativity/hw/relativity-max-tension)<% end_hw() %>
1672 <% begin_hw('double-voltage') %>__incl(../../share/relativity/hw/double-voltage)<% end_hw() %>
1674 <% begin_hw('rel-momentum-cons-frame-invariant',2) %>
1675 Problem \ref{hw:energy-frames} on p.~\pageref{hw:energy-frames} (with the solution
1676 given in the back of the book) demonstrates that in Newtonian mechanics, conservation of momentum is the
1677 necessary and sufficient condition if conservation of energy is to hold in all frames of reference. The purpose
1678 of this problem is to generalize that idea to relativity (in one dimension).
1680 Let a system contain two interacting particles, each with unit mass. Then if energy is conserved in a particular
1681 frame, we must have $\mygamma_1+\mygamma_2=\mygamma'_1+\mygamma'_2$, where the primes indicate the quantities after interaction.
1682 Suppose that we now change to a new frame, in motion relative to the first one at a velocity $\epsilon$ that is
1683 much less than 1 (in units where $c=1$).
1684 The velocities all change according to the result of
1685 problem \ref{hw:rel-vel-addition} on p.~\pageref{hw:rel-vel-addition}.
1686 Show that energy is conserved in the new frame if and only if momentum is conserved.
1688 Hints: (1) Since $\epsilon$ is small, you can take $1/(1+\epsilon)\approx 1-\epsilon$.
1689 (2) Rather than directly using the result of problem \ref{hw:rel-vel-addition}, it is easier to
1690 eliminate the velocities in favor of the corresponding Doppler-shift factors $D$, which simply
1691 multiply when the velocities are combined. (3) The identity $v\mygamma=(1/D-D)/2$ is handy here.
1692 <% end_hw() %>
1694 <% end_hw_sec %>
1696 <% begin_ex("Sports in Slowlightland","A") %>
1697 \noindent In Slowlightland, the speed of light is 20 mi/hr = 32 km/hr = 9 m/s. Think of an example of how
1698  relativistic effects would work in sports. Things can get very complex very quickly,
1699  so try to think of a simple example that focuses on just one of the following effects:
1700 \begin{itemize}
1701 \item relativistic momentum
1702 \item relativistic kinetic energy
1703 \item relativistic addition of velocities (See problem \ref{hw:rel-vel-addition}, with the answer given on p.~\pageref{soln:rel-vel-addition}.)
1704 \item time dilation and length contraction
1705 \item Doppler shifts of light (See section \ref{sec:doppler-and-clock}.)
1706 \item equivalence of mass and energy
1707 \item time it takes for light to get to an athlete's eye
1708 \item deflection of light rays by gravity
1709 \end{itemize}
1710 <% end_ex %>
1712 <% begin_ex("Nuclear Decay","B") %>
1713 __incl(text/ex_chart_of_nuclei)
1714 <% end_ex %>
1716 <% begin_ex("Misconceptions about Relativity","C") %>
1717 __incl(../../share/relativity/text/relativity_misconceptions)
1718 <% end_ex %>
1720 <% end_chapter() %>