21

Решение: Частота фотона при образовании атома

ЕГЭ · Физика · Задание 21 · Квантовая и ядерная физика
ВысокаяФИПИFCD901Развёрнутое решение≈ 5 минутРазбор в 5 шагов
Условие

Электрон, имеющий импульс $p = 2 \cdot 10^{-24}\ \text{кг} \cdot \text{м/с}$, сталкивается с покоящимся протоном, образуя атом водорода в состоянии с энергией $E_n$ ($n = 2$). В процессе образования атома излучается фотон. Найдите частоту $\nu$ этого фотона, пренебрегая кинетической энергией атома. Уровни энергии электрона в атоме водорода задаются формулой $E_n = -\dfrac{13{,}6}{n^2}\ \text{эВ}$, где $n = 1, 2, 3, \ldots$.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

5 шагов
1

Начальная кинетическая энергия электрона определяется его импульсом:

$$E_k = \dfrac{p^2}{2m_e} = \dfrac{(2 \cdot 10^{-24})^2}{2 \cdot 9{,}1 \cdot 10^{-31}} \approx 2{,}20 \cdot 10^{-18}\ \text{Дж}$$
2

Переведём кинетическую энергию в электронвольты:

$$E_k \approx \dfrac{2{,}20 \cdot 10^{-18}}{1{,}6 \cdot 10^{-19}} \approx 13{,}7\ \text{эВ}$$
3

Энергия атома водорода в состоянии $n = 2$ равна:

$$E_2 = -\dfrac{13{,}6}{2^2} = -3{,}4\ \text{эВ}$$
4

По закону сохранения энергии энергия фотона равна начальной кинетической энергии электрона минус энергия образовавшегося атома:

$$E_{\gamma} = E_k - E_2 = 13{,}7 - (-3{,}4) = 17{,}1\ \text{эВ}$$

Используем связь энергии фотона с его частотой:

$$\nu = \dfrac{E_{\gamma}}{h} = \dfrac{17{,}1 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19}}{6{,}63 \cdot 10^{-34}} \approx 4{,}1 \cdot 10^{15}\ \text{Гц}$$
Ответ

$\nu \approx 4{,}1 \cdot 10^{15}\ \text{Гц}$

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Не учитывают отрицательный знак энергии связанного состояния атома.

Используют энергию уровня $n = 2$ по модулю вместо значения $E_2 = -3{,}4\ \text{эВ}$.

Забывают перевести энергию фотона из электронвольт в джоули перед делением на постоянную Планка.

Закрепить приёмВ теме «Квантовая и ядерная физика» ещё 281 задача — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 21 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 5 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Квантовая и ядерная физика»: в ней 282 задачи, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.