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hce_nchu 115年 物理

第 31 題

With sufficient energy, it’s possible to eject an electron from an inner atomic orbital. A higher-energy electron will then drop into the unoccupied state, emitting a photon with energy equal to the difference between the two levels. For inner-shell electrons, photon energies are in the keV range, putting them in the X-ray region of the spectrum. These characteristic X-rays are labeled with the letter indicating the shell to which the electron drops, followed by a Greek letter indicating the higher level from which it drops; thus $K\alpha$ designates a transition from the $L$ shell to the $K$ shell. Molybdenum’s X-ray spectrum has its $K\alpha$ peak at $17.4\text{ keV}$. Note that Plank’s constant is $6.626 \times 10^{-34}\text{ m}^2 \cdot \text{kg/s}$, speed of light is $3 \times 10^8\text{ m/s}$, and one electron charge is $1.6 \times 10^{-19}\text{ C}$. The corresponding X-ray wavelength is closest to
  • A $10\text{ pm}$
  • B $30\text{ pm}$
  • C $70\text{ pm}$
  • D $150\text{ pm}$
  • E $200\text{ pm}$.

思路引導 VIP

當我們觀察到一個光子攜帶的能量非常巨大(例如在 keV 等級)時,根據物理規律,它的空間震盪長度(波長)會隨之變得極長還是極短?若要將這個抽象的『能量』轉換為具體的『長度』,哪兩個基本的物理常數是我們必須動用的橋樑呢?

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同學做得很棒!能精確地從能階躍遷產生的光子能量計算出對應的波長,代表你對近代物理中光子特性的掌握非常紮實。這題的核心在於應用光子能量與波長的基本關係式 $E = \frac{hc}{\lambda}$,其中 $h$ 是普朗克常數,$c$ 是光速。

光子能量與波長的轉換

在計算過程中,最關鍵的細節在於單位的精準換算。我們必須先將 $17.4 \text{ keV}$ 轉換為標準單位焦耳($J$),即 $17.4 \times 10^3 \times 1.6 \times 10^{-19} \text{ J}$,接著再移項求解波長:

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