内容正文:
近代物理
第十六章
第
2
课时
波粒二象性 物质波 原子结构与玻尔理论
目标
要求
1.理解波粒二象性的特征。2.了解实物粒子的波动性,知道物质波的概念。3.掌握原子的核式结构及玻尔的原子理论,理解氢原子能级图及原子受激跃迁条件。
内
容
索
引
考点一 光的波粒二象性与物质波
考点二 原子结构和氢原子光谱
考点三 玻尔原子理论 能级跃迁
课时精练
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考点一
光的波粒二象性与物质波
1.光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有_______。
(2)光电效应和康普顿效应说明光具有_______。
(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的____________。
波动性
粒子性
波粒二象性
光的波粒二象性与物质波
考点一
思考 用很弱的光做双缝干涉实验,把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在,如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。试从光的本性解释光的干涉现象产生的原因。
光的波粒二象性与物质波
考点一
答案 大量光子的行为表现为波动性,少数光子的行为表现为粒子性;光在传播过程中表现为波动性,光在与物质作用时表现为粒子性。光的干涉现象是大量光子的运动遵循波动规律的表现。如果用比较弱的光曝光时间比较短,少量光子通过狭缝在屏的感光底片上显示出一个个光点,显示出粒子性;如果曝光时间比较长,很多光子的行为就显示出波动性,亮条纹是光子到达概率大的地方,暗条纹是光子到达概率小的地方。
光的波粒二象性与物质波
考点一
2.物质波:_________认为,任何一个运动着的物体,小到电子、质子,
大到行星、太阳都有一种波和它对应,波长λ=___,其中p是运动物体的动量,h是普朗克常量,数值为6.63×10-34 J·s。人们把这种波称为___________,也叫物质波。
德布罗意
德布罗意波
光的波粒二象性与物质波
考点一
思考 一名运动员正以10 m/s的速度奔跑,已知他的质量为60 kg,普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,试估算他的德布罗意波长。为什么我们观察不到运动员的波动性?
光的波粒二象性与物质波
考点一
例1 (2024·广东广州市华南师大附中测试)物理学家G.P.汤姆孙曾在实验中让静止的电子束通过电场加速后,通过多晶薄膜得到了如图所示衍射图样,则
A.该图样说明了电子具有粒子性
B.电子的位置和动量可以同时被确定
C.加速电压越大,电子的德布罗意波的波长越长
D.让静止的电子束和质子束通过相同的加速电场,电子的德布罗意波的
波长更长
√
光的波粒二象性与物质波
考点一
题图为电子束通过多晶薄膜的衍射图样,因为衍射是波所特有的现象,所以说明了电子具有波动性,故A错误;
根据不确定性关系,不可能同时准确地知道电子的位置和动量,故B错误;
光的波粒二象性与物质波
考点一
光的波粒二象性与物质波
考点一
例2 (多选)(2022·浙江1月选考·16)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示,电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23 kg·m/s,然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31 kg,普朗克常量取6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是
A.发射电子的动能约为8.0×10-15 J
B.发射电子的物质波波长约为5.5×10-11 m
C.只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉
D.如果电子是一个一个发射的,仍能得到干涉图样
√
√
光的波粒二象性与物质波
考点一
光的波粒二象性与物质波
考点一
物质波也具有波粒二象性,故电子的波动性是每个电子本身的性质,则每个电子依次通过双缝都能发生干涉现象,只是需要大量电子显示出干涉图样,故C错误,D正确。
返回
光的波粒二象性与物质波
考点一
原子结构和氢原子光谱
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考点二
1.原子结构
(1)电子的发现:物理学家__________发现了电子。
(2)α粒子散射实验:1909年,物理学家_______和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿____方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞”了回来。
(3)原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部的____
___和几乎全部_____都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。
卢瑟福
原来
J.J.汤姆孙
正电
荷
质量
原子结构和氢原子光谱
考点二
2.氢原子光谱
(1)光谱:用棱镜或光栅可以把光按波长(频率)展开,获得光的_____(频率)和强度分布的记录,即光谱。
(2)光谱分类
(3)光谱分析:利用每种原子都
有自己的_________来鉴别物质和确定物质的组成成分,且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。
波长
特征谱线
原子结构和氢原子光谱
考点二
原子结构和氢原子光谱
考点二
例3 (多选)如图甲所示是汤姆孙的原子模型,他认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地分布在整个球体内,电子镶嵌在其中。甲图中的小圆点代表正电荷,大圆点代表电子。汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验。如图乙所示是卢瑟福为解释α粒子散射实验假设的情景:占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质应集中在很小的空间范围。下列说法中正确的是
原子结构和氢原子光谱
考点二
A.α粒子质量远大于电子质量,电子对α粒
子速度的影响可以忽略
B.入射方向的延长线越接近原子核的α粒子
发生散射时的偏转角越大
C.由不同元素原子核对α粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的
质量
D.由α粒子散射的实验数据可以估计出原子核半径的数量级是10-15 m
√
√
√
原子结构和氢原子光谱
考点二
α粒子质量远大于电子质量,电子对α粒子速度的影响可以忽略,故A正确;
入射方向的延长线越接近原子核的α粒
子,所受库仑力就越大,发生散射时的偏转角越大,故B正确;
α粒子散射类似于碰撞,根据实验数据无法确定各种元素原子核的质量,故C错误;
由α粒子散射的实验数据可以估计出原子核半径的数量级是10-15 m,故D正确。
原子结构和氢原子光谱
考点二
例4 (多选)根据巴耳末公式 (n=3,4,5,…)可以求出氢原子在可见光区的四条光谱线的波长λ。后来的科学家把巴耳末公式中的2换成了1和3计算出了紫外区和红外区的其他谱线的波长。这些公式与玻尔理论的跃迁公式hν= E1是基态能量(m<n),对氢原子光谱的解释完全相符。已知波长从长到短的顺序是:红外线、红橙黄绿青蓝紫可见光、紫外线,光速为c,普朗克常量为h,下列说法正确的是
原子结构和氢原子光谱
考点二
A.巴耳末公式表示的是电子从高能级向量子数为2的低能级跃迁时发出的
光谱线波长
B.巴耳末公式表示的是电子从量子数为2的低能级向高能级跃迁时发出的
光谱线波长
C.若把巴耳末公式中的2换成1,则能够计算出紫外光区的谱线波长
D.可以通过玻尔理论推导出巴耳末公式,计算得出里德伯常量R∞=-
√
√
√
原子结构和氢原子光谱
考点二
由玻尔理论的跃迁公式
若m=2即可变形为巴耳末公式
原子结构和氢原子光谱
考点二
若把巴耳末公式中的2换成1,则计算所得的λ的值减小,即得到的是波长小于可见光的紫外光区的谱线波长,选项C正确;
返回
原子结构和氢原子光谱
考点二
玻尔原子理论 能级跃迁
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考点三
1.玻尔原子理论的基本假设
(1)轨道量子化与定态
①轨道量子化:电子绕原子核运动的轨道半径是分立的,电子只能在某些特定的轨道上运动。电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的,不产生电磁辐射。
半径公式:rn=_____(n=1,2,3,…),其中r1为基态轨道半径,r1=0.53×10-10 m。
n2r1
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
②定态:电子在不同轨道上运动时,具有不同的能量,原子的能量也只能取一系列特定的值,这些_____的能量值叫能级,具有确定能量的____
_______,称为定态。
能级公式:En=_________________,其中E1为基态能量,对于氢原子来说,E1=_________。
(2)跃迁——频率条件
①跃迁:原子由一个能级变化到另一个能级的过程称为跃迁。
分立
稳
定状态
-13.6 eV
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
②频率条件
自发跃迁:高能级→低能级,释放能量,发射光子。释放光子的频率满足hν=ΔE=E高-E低。
受激跃迁:低能级→高能级,吸收能量,吸收光子。吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν=ΔE=E高-E低。
注意:若实物粒子与原子碰撞,使原子受激跃迁,实物粒子能量大于能级的能量差。
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
2.电离
(1)电离态:n=∞,E=0。
(2)电离能:指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。
(3)若吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还具有动能。
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
思考 一群氢原子处于n=5的激发态,试在能级图上画出它们从n=5激发态向基态跃迁时的可能辐射情况示意图,最多能辐射出____种不同频率的光子,
公式为____________。
答案 如图所示
10
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
1.处于基态的氢原子可以吸收能量为11 eV的光子而跃迁到高能级。
( )
2.一个处于n=3能级的氢原子跃迁到基态最多辐射3种频率的光。( )
3.氢原子吸收或辐射光子的频率条件是hν=En-Em(m<n)。( )
4.氢原子各能级的能量指电子绕核运动的动能。( )
5.玻尔理论能解释所有元素的原子光谱。( )
×
√
×
×
×
判断正误
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
例5 (多选)(2023·广东清远市期末)“北斗三号”采用星载氢原子钟,通过氢原子的能级跃迁而产生的电磁波校准时钟。氢原子的部分能级结构如图所示,则
A.氢原子的核外电子在离原子核较近的地方出现的概率较小
B.用11 eV的光子照射,能使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C.用4 eV的光子照射处于n=2激发态的氢原子,可以使之电离
D.氢原子由基态跃迁到激发态后,核外电子动能减小,原子的
电势能增大
√
√
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
氢原子的核外电子在离原子核近的地方出现的概率大,A错误;
让基态的氢原子跃迁到激发态,至少需要的能量是ΔE=E2-E1=-3.4 eV-(-13.6 eV)= 10.2 eV
或者ΔE′=E3-E1=-1.51 eV-(-13.6 eV)= 12.09 eV
则11 eV不满足两能级间的差值,不能使处于基态的氢原子跃迁到激发态,B错误;
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
若使处于n=2激发态的氢原子电离,光子的能量至少为3.4 eV,用4 eV的光子照射,可以使之电离,C正确;
氢原子由基态跃迁到激发态后,核外电子运动到离
原子核更远的地方,动能减小,原子的电势能增大,D正确。
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
例6 (2023·辽宁卷·6)原子处于磁场中,某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示,相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应,且逸出光电子的最大初动能为Ek,则
A.①和③的能量相等
B.②的频率大于④的频率
C.用②照射该金属一定能发生光电效应
D.用④照射该金属,逸出光电子的最大初动能小于Ek
√
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
由题图可知①和③对应的跃迁能级差相同,可知①和③的能量相等,选项A正确;
因②对应的能级差小于④对应的能级差,可知②的能量小于④的能量,根据E=hν可知②的频率小于④的频率,选项B错误;
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
因②对应的能级差小于①对应的能级差,可知②的能量小于①的能量,②的频率小于①的频率,则若用①照射某金属表面时能发生光电效应,用②照射该金属不一定能发生光电效应,选项C错误;
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
因④对应的能级差大于①对应的能级差,可知④的能量大于①的能量,即④的频率大于①的频率,因用①照射某金属表面时能逸出光电子的最大初动能为Ek,根据Ek=hν-W逸出功,则用④照射该金属,逸出光电子的最大初动能大于Ek,选项D错误。
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
例7 (2022·广东卷·5)目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为En= ,其中E1=-13.6 eV。图是按能量排列的电磁波谱,要使n=20的氢原子吸收一个光子后,恰好失去一个电子变成氢离子,被吸收的光子是
A.红外线波段的光子
B.可见光波段的光子
C.紫外线波段的光子
D.X射线波段的光子
√
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
返回
考点三
玻尔原子理论 能级跃迁
课时精练
1.(多选)α粒子散射实验是近代物理学中经典的实验之一,卢瑟福通过该实验证实了原子的核式结构模型,其实验装置如图所示。下列说法正确的是
A.荧光屏在B位置的亮斑比在A位置多
B.该实验说明原子的正电荷和绝大部
分质量集中在一个很小的核上
C.荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置少
D.该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
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基础落实练
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根据α粒子散射实验现象,大多数粒子通过金箔后方向不变,少数粒子方向发生改变,极少数偏转超过90°,甚至有的被反向弹回,可知荧光屏在B位置的亮斑比在A位置少,荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置少,选项A错误,C正确;
该实验说明原子的正电荷和绝大部分质
量集中在一个很小的核上,而不是原子
质量均匀地分布在原子内,选项B正确,D错误。
2.(2022·湖南卷·1)关于原子结构和微观粒子波粒二象性,下列说法正确的是
A.卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征
B.玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律
C.光电效应揭示了光的粒子性
D.电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性
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玻尔的原子理论成功地解释了氢原子的分立光谱,但不足之处是它保留了经典理论中的一些观点,如电子轨道的概念,还不能完全揭示微观粒子的运动规律,A、B错误;
光电效应揭示了光的粒子性,C正确;
电子束穿过铝箔后的衍射图样,证实了电子的波动性,D错误。
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3.(2023·湖北卷·1)2022年10月,我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)。根据如图所示的氢原子能级图,可知此谱线来源于太阳中氢原子
A.n=2和n=1能级之间的跃迁
B.n=3和n=1能级之间的跃迁
C.n=3和n=2能级之间的跃迁
D.n=4和n=2能级之间的跃迁
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由题图可知n=2和n=1能级之间的能量差值为ΔE=E2-E1=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV,与探测器探测到的谱线能量相等,故可知此谱线来源于太阳中氢原子n=2和n=1能级之间的跃迁。故选A。
4.(2022·北京卷·1)氢原子从某激发态跃迁到基态,则该氢原子
A.放出光子,能量增加
B.放出光子,能量减少
C.吸收光子,能量增加
D.吸收光子,能量减少
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氢原子从某激发态跃迁到基态,则该氢原子放出光子,且放出光子的能量等于两能级之差,能量减少,故选B。
5.(2023·山东卷·1)“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原子钟组发射升空,对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义。如图所示为某原子钟工作的四能级体系,原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ,然后自发辐射出频率为ν1的光子,跃迁到钟跃迁的上能级2,并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1,实现受激辐射,发出钟激光,最后辐射出频率为ν3的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率ν2为
A.ν0+ν1+ν3 B.ν0+ν1-ν3
C.ν0-ν1+ν3 D.ν0-ν1-ν3
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原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ时有EⅡ-EⅠ=hν0,且从激发态能级Ⅱ向下跃迁到基态能级Ⅰ的过程有EⅡ-EⅠ=hν1+hν2+hν3,联立解得ν2=ν0-ν1-ν3,故选D。
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6.(多选)(2022·海南卷·11)一群处于n=4激发态的氢原子跃迁向外辐射出不同频率的光子,则
A.需要向外吸收能量
B.共能放出6种不同频率的光子
C.n=4向n=3跃迁发出的光子频率最大
D.n=4向n=1跃迁发出的光子频率最大
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高能级向低能级跃迁向外放出能量,以光子形式释放出去,故A错误;
最多能放不同频率光子的种数为 =6,故B正确;
从最高能级向最低能级跃迁释放的光子能量最大,对应的频率最大,波长最小,则n=4向n=1跃迁发出的光子频率最大,故D正确,C错误。
7.(2024·广东汕头市金禧中学测试)现已知金属铯的逸出功为1.88 eV,氢原子能级图如图所示,下列说法正确的是
A.大量处于n=4能级的氢原子跃迁到基态的过程中最多可释放出3种频率的光子
B.一个处于n=3能级的氢原子跃迁到基态的过程中最多可释放出3种频率的光子
C.氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级过程中辐射出的光
子不能使金属铯发生光电效应
D.大量处于n=2能级的氢原子跃迁到基态过程中发出的
光照射金属铯,产生的光电子最大初动能为8.32 eV
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能力综合练
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大量处于n=4能级的氢原子跃迁最多可释放的光子频率种类为 =6,故A错误;
一个处于n=3能级的氢原子最多可以释放的光子频率种类为3-1=2,故B错误;
从n=3能级跃迁到n=2能级过程中,辐射出的光子
能量为ΔE=-1.51 eV-(-3.4 eV)=1.89 eV>1.88 eV,故其辐射出的光子可以使金属铯发生光电效应,故C错误;
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从n=2能级的氢原子跃迁到基态,辐射出的光子能量为hν=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV,根据光电效应方程有Ek=hν-W0=8.32 eV,故D正确。
8.(2022·重庆卷·6)如图为氢原子的能级示意图。已知蓝光光子的能量范围为2.53~2.76 eV,紫光光子的能量范围为2.76~3.10 eV。若使处于基态的氢原子被激发后,可辐射蓝光,不辐射紫光,则激发氢原子的光子能量为
A.10.20 eV B.12.09 eV
C.12.75 eV D.13.06 eV
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从n=4跃迁到n=2能级时,辐射光子能量ΔE1=
-0.85 eV-(-3.40 eV)=2.55 eV,处于蓝光的能
量范围,若使处于基态的氢原子被激发后只辐射
蓝光,不辐射紫光,则需激发氢原子到n=4能级,
则激发氢原子的光子能量为ΔE2=E4-E1=12.75 eV,故选C。
9.(2023·广东江门市一模)图甲为氢原子能级图,图乙为氢原子的光谱,Hα、Hβ、Hγ、Hδ是可见光区的四条谱线,其中Hβ谱线是氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级辐射产生的,下列说法正确的是
A.这四条谱线中,Hα谱线光子能量最大
B.氢原子的发射光谱属于连续光谱
C.用能量为3.5 eV的光子照射处于n=2激
发态的氢原子,氢原子不发生电离
D.若Hα、Hβ、Hγ、Hδ中只有一种光能使某
金属产生光电效应,那一定是Hδ
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氢原子的发射光谱属于线状谱,B错误;
处于n=2能级的氢原子电离至少需要吸收3.4 eV的能量,用能量为3.5 eV的光子照射能发生电离,C错误;
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频率越大的光子越容易使金属产生光电效应,题图中Hδ谱线波长最小,频率最大,Hδ光能量最大,若Hα、Hβ、Hγ、Hδ中只有一种光能使某金属产生光电效应,那一定是Hδ,D正确。
10.(多选)(2023·浙江6月选考·15)有一种新型光电效应量子材料,其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时,只产生动能和动量单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝,在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹,测得条纹间距为Δx。已知电子质量为m,普朗克常量为h,光速为c,则
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尖子生选练
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答案 λ== m=1.1×10-36 m,因为实际的障碍物(或小孔)的尺寸远大于运动员的德布罗意波长,所以观察不到干涉和衍射等波动特性。
由德布罗意波的波长公式可得λ=,又eU=mv2,p=mv=,联立可得λ=。可知加速电压越大,电子的德布罗意波的波长越短,故C错误;
根据λ=,让静止的电子束和质子束通过相同的加速电场,由于电子的质量比质子的质量更小,可知电子的德布罗意波的波长更长,故D正确。
根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为Ek== J≈8.0×10-17 J,故A错误;
发射电子的物质波波长约为λ== m=5.5×10-11 m,故B正确;
(4)氢原子光谱的实验规律:巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线,其波长公式=R∞(-)(n=3,4,5,…),R∞是里德伯常量,R∞=1.10×107 m-1。
-E1(-),
=R∞(-)
hν==-E1(-)可知
=R∞(-)(n=3,4,5,…)的形式,则巴耳末公式表示的是电子从高能级向量子数为2的低能级跃迁时发出的光谱线波长,选项A正确,B错误;
对比两式hν==-E1(-)
=R∞(-)(n=3,4,5,…)
可得R∞=-,选项D正确。
(n=1,2,3,…)
C=
要使处于n=20的氢原子吸收一个光子后恰好失去一个电子变成氢离子,则需要吸收光子的能量为E=0-() eV=0.034 eV,结合题图可知被吸收的光子是红外线波段的光子,故选A。
C
C
由题图乙可知Hα谱线对应的波长最大,由E=h可知,波长越大,能量越小,A错误;
A.电子的动量pe= B.电子的动能Ek=
C.光子的能量E=W0+ D.光子的动量p=+
根据条纹间距公式Δx=λ,可得λ=。根据pe=,可得pe=,故A正确;
根据动能和动量的关系Ek=,结合A选项可得Ek=,故B错误;
光子的能量E=W0+Ek=W0+,故C错误;
光子的动量p=mc,光子的能量E=mc2,联立可得p=,则光子的动量p=+,故D正确。
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