第16章 近代物理初步 课件(共2份)2027届高考物理一轮复习

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第16章 近代物理初步 课件(共2份)2027届高考物理一轮复习

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(共39张PPT)
第79课时 原子结构 原子核
学习目标:1.知道原子的核式结构,了解氢原子光谱,掌握玻尔理论及能级跃迁规律。
2.了解原子核的组成及核力的性质,了解半衰期及其统计意义。
3.认识原子核的结合能,了解核裂变及核聚变,能根据质量数、电荷数守恒写出核反应方程。
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解析
1.× α粒子大角度偏转是因为它靠近了原子中心带正电、质量大的原子核,受到强库仑斥力,而非与质量很小的电子碰撞。
2.√
3.√ 原子核体积只占原子体积的极小部分,但集中了几乎全部质量和全部正电荷。
4.× 玻尔理论能成功解释氢原子及类氢离子的光谱,但对多电子原子(如氦原子)光谱的解释与实验不符。
5.√ γ射线是光子流,穿透力最强;β射线是电子流,次之;α射线是氦核流,穿透力最弱。
6.× β衰变实质是核内中子转变为质子并放出一个电子,新核电荷数增加1。
7.× 半衰期是统计规律,对大量原子核成立,对少量(如100个)原子核无意义。
8.× 核力是核子间的强相互作用,是短程力;库仑力是电磁相互作用。二者性质不同。
9.× 核反应既有释放能量的(如裂变、聚变),也有吸收能量的。
10.√ 根据质能方程,质量亏损意味着反应前后质量减少,相应质量转化为能量(核能)释放。
考点一 原子结构和氢原子光谱
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。
J.J.汤姆孙
卢瑟福
原来
正电荷
质量
2.氢原子光谱
(1)光谱:用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长(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。
(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,…),式中R∞叫作里德伯常量,R∞=1.10×107
m-1。
波长
吸收
连续
特征
特征谱线
典例1 如图所示为α粒子散射的实验装置示意图。将显微镜先后置于图中的A点和B点,在这两点观察的时间相同,则(  )
A.在B点一定观察不到闪光
B.在A、B两点观察到的闪光次数接近
C.在B点能观察到闪光,主要因为α粒子通过金箔时与电子发生碰撞
D.在A点观察到的闪光次数远多于在B点观察到的,说明金原子内部非常空旷
D
解析 α粒子散射的实验中,α粒子穿过金箔后,绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进,少数α粒子发生大角度的偏转,极少数α粒子偏转角度大于90°,即个别α粒子反弹回来,所以在B位置能观察到闪光,但次数远小于A处的,也表明金原子内部非常空旷,故A、B错误,D正确;在B点能观察到闪光,是α粒子与原子核之间相互作用的结果,并不是因为α粒子通过金箔时与电子发生碰撞,故C错误。故选D。
考点二 玻尔原子理论 能级跃迁
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:电子运行轨道半径不是任意的,而是    的,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。
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=      。
量子化
n2r1
量子化
稳定状态
(n=1,2,3,…)
-13.6 eV
(2)跃迁——频率条件
①跃迁:原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。
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。吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν=ΔE=E高-E低。
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。
典例2 一价氦离子(He+)的能级图如图所示,根据玻尔原子理论,下列说法正确的是(  )
A.能级越高,氦离子越稳定
B.n=1时,氦离子处于第一激发态
C.从n=2跃迁到n=1比从n=3跃迁到n=2辐射出的光子动量小
D.一个处于n=4能级的氦离子跃迁到基态的过程中,可能辐射两种频率的光子
D
解析 根据玻尔原子理论可知能级越低,氦离子越稳定,故A错误;n=1时,氦离子处于基态,故B错误;根据h=Em-En(m>n)可知,从n=2跃迁到n=1比从n=3跃迁到n=2辐射出的光子的波长短。由λ=可得从n=2跃迁到n=1比从n=3跃迁到n=2辐射出的光子动量大,故C错误;一个处于n=4能级的氦离子跃迁到基态的过程中,可能辐射两种频率的光子,如从n=4跃迁到n=3,从n=3跃迁到n=1,故D正确。
典例3 如图所示,图甲为氢原子的能级图,大量处于n=4激发态的氢原子跃迁时,发出频率不同的大量光子,其中频率最高的光子照射到图乙电路中光电管阴极K上时,光电流随光电管两端电压变化的图像如图丙。求:
(1)频率最高的光子能量;
(2)阴极K的逸出功。
答案 (1)12.75 eV (2)7.75 eV
解析 (1)处于n=4激发态的氢原子跃迁时,频率最高的光子能量为E=hνm=E4-E1=12.75 eV。
(2)根据爱因斯坦方程有hνm=W0+Ek,由图3可知Ek=eUc=5 eV,解得W0=7.75 eV。
考点三 原子核的衰变及半衰期
1.原子核的组成:原子核是由    和中子组成的,原子核的电荷数等于核内的    。
2.天然放射现象
放射性元素    地发出射线的现象,首先由      发现。天然放射现象的发现,说明    具有复杂的结构。原子序数大于83的元素都能自发地发出射线,原子序数小于或等于83的元素,有的也能发出射线。
3.三种射线的比较
名称 构成 符号 电荷量 质量 电离能力 贯穿本领
α射线   核 He +2e 4 u 最  最 
β射线   e -e u 较强 较强
γ射线 光子 γ 0 0 最  最 
质子
质子数
自发
贝克勒尔
原子核



电子


4.原子核的衰变
(1)衰变:原子核自发地放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。
(2)α衰变、β衰变
(3)γ射线:γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。
衰变类型 α衰变 β衰变
衰变方程 He e
衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出 中子转化为质子和电子
H+He e
匀强磁场中轨迹形状
衰变规律        守恒、质量数守恒
电荷数
5.半衰期
(1)公式:N余=N原,m余=m原,式中t为衰变时间,T1/2为半衰期。
(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由           决定的,跟原子所处的外部条件(如温度、压强)和化学状态(如单质、化合物)
    (选填“有关”或“无关”)。
6.放射性同位素的应用与防护
(1)放射性同位素:有    放射性同位素和    放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同。
(2)应用:放射治疗、培优、保鲜、作为     等。
(3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。
核内部自身的因素
无关
天然
人工
示踪原子
典例4 地球上只有百万分之一的碳是以碳14形式存在于大气中。
C发生β衰变下列说法正确的是(  )
A.衰变放出的β粒子来自C的核外电子
B.衰变产生的新核是N
C.近年来由于地球的温室效应,引起C的半衰期发生微小变化
D.衰变放出的β粒子带负电,具有很强的电离能力
B
解析 中子释放β粒子转化为质子,A错误;衰变后原子核质量数不变,核电荷数变为7,即N,B正确;半衰期是放射性元素的本质特性,与外界环境无关,C错误;β粒子具有较弱的电离能力,D错误。故选C。
典例5 静止的钚-238在磁场中衰变产生的粒子和新核在磁场中运动的轨迹如题图所示,则(  )
A.a为α粒子轨迹
B.b为β粒子轨迹
C.新核和衰变粒子圆周运动方向相反
D.新核和衰变粒子动量相同
C
解析 原子核发生衰变,粒子的速度方向相反,由图可知粒子的运动的轨迹在同一侧,根据左手定则可以得知,衰变后的粒子带的电性相反,所以释放的粒子应该是电子,所以原子核发生的应该是β衰变;衰变后,粒子做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力有qvB=m,解得R=。静止的原子核发生衰变,根据动量守恒可知,衰变前后,动量守恒,故两个粒子的动量大小相等,方向相反,磁感应强度也相等,故q越大,轨道半径越小;故大圆a是释放粒子的运动轨迹,小圆b是新核的运动轨迹,两者运动方向相反。
典例6 居里夫人一份约120年前的手稿被保存在法国国立图书馆,记载了放射性元素钋和镭的发现。手稿中残留有镭,至今仍具有放射性,因此存放在铅盒里。已知镭的半衰期是1 620年,如图所示,在表示镭含量的直方图中,“今年”表示今年手稿上镭的含量,则可以表示当年手稿上镭含量的是
(  )
A.① B.②
C.③ D.④
B
解析 设当年手稿上镭含量是x,则根据半衰期的概念可知x=A,解得x≈1.05A,故B正确。
考点四 核反应方程与核能的计算
1.核反应的四种类型
类型 可控性 核反应方程典例
衰变 α衰变 自发 Th+   
β衰变 自发 ThPae
人工转变 人工控制 (基本粒子轰击原子核) He→   H(卢瑟福发现质子)
HeBen(查德威克发现中子)
AlHe→  n 约里奥—居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子
Si+ 
He
e
类型 可控性 核反应方程典例
重核裂变 容易控制 (慢中子、链式反应) BaKr+  
XeSr+  
轻核聚变 现阶段很难控制 (需要极高温度—— 一般由核裂变提供) H→   n+17.6 MeV
n
1
He
2.核反应方程式的书写
(1)熟记常见基本粒子的符号,是正确书写核反应方程的基础。如质子(    )、中子(    )、α粒子(    )、β粒子(    )、正
电子(    )、氘核(    )、氚核(    )等。
(2)掌握核反应方程遵循的规律:    守恒,    守恒。
(3)由于核反应不可逆,所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。
He
质量数
电荷数
3.核力和核能
(1)核力:原子核内部,    间所特有的相互作用力。核力是强相互作用,为短程力,作用范围只有约10-15 m,与电性无关。
(2)结合能:原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们   需要的能量,叫作原子核的结合能,也叫核能。
(3)比结合能:原子核的结合能与    之比,叫作比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得越    ,原子核越   。
核子
分开
核子数
牢固
稳定
4.质量亏损
凡是释放核能的核反应,反应后各原子核(新生核)及微观粒子的质量(即静止质量)之和    ,两者的差值就叫      。
5.质能方程
(1)爱因斯坦得出物体的能量与它的质量的关系:        。
(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其对应减少的能量ΔE=    。原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=    。
变小
质量亏损
E=mc2
Δmc2
Δmc2
6.核能的计算
(1)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。
①ΔE=Δmc2中,若Δm的单位为“kg”,c的单位为“m/s”,则ΔE的单位为“J”。
②ΔE=Δmc2中,若Δm的单位为“u”,则可直接利用ΔE=Δm×931.5 MeV/u计算,此时ΔE的单位为“MeV”,即1 u=1.660 5×10-27 kg,相当于931.5 MeV,这个结论可在计算中直接应用。
(2)利用比结合能计算核能
原子核的结合能=核子的比结合能×核子数。
核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
典例7 (2024江苏卷)用粒子轰击氮核从原子核中打出了质子,该实验的核反应方程式是XNC,粒子X为(  )
A.正电子 B.中子
C.氘核 D.氦核
B
解析 根据质量数守恒可知X的质量数为
m=14+1-14=1
根据电荷守恒可知X的电荷数为
n=6+1-7=0
可知X为中子n。故选B。
典例8 1919年,卢瑟福发现了质子,其核反应方程为:XH。该核反应过程中吸收的能量为Q。设X粒子的比结合能为E1,氮核的比结合能为E2,氧核的比结合能为E3。则下列说法正确的是(  )
A.在核反应过程中,X表示He粒子
B.核反应过程中吸收的能量可以表示为Q=4E1+14E2-17E3
C.核反应过程中的质量亏损可以表示为
D.若X粒子以动能Ek轰击静止的N,若Ek=Q,则该核反应可以发生
B
对点演练 (2025南通一模)某微型核电池原料是Cu+X。则(  )
A.X是中子
BNi更稳定
C.升高温度可以加快Ni的衰变
DNi的质量等于Cu与X的质量之和
B(共31张PPT)
第十六章 近代物理初步
知识网络
考点分布
黑体辐射、能量子、物质波 2023·江苏卷·T14(计算,8分)
2022·江苏卷·T4(选择,4分)
光电效应 2025·江苏卷·T12(计算,8分)
2021·江苏卷·T8(选择,4分)
能级跃迁 2024·江苏卷·T5(选择,4分)
核反应、核能 2024·江苏卷·T3(选择,4分)
2021·江苏卷·T1(选择,4分)
第78课时 光电效应 波粒二象性
学习目标:1.了解黑体辐射的实验规律。
2.知道什么是光电效应,理解光电效应的实验规律,会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量。
3.了解实物粒子的波动性,知道物质波的概念。
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解析
1.× 光子是传递电磁相互作用的基本粒子(场物质),不是实物粒子;光电子是金属表面的电子吸收光子后逸出形成的电子流。
2.× 发生光电效应的条件是入射光频率大于金属的极限频率,与光强无关。光强只影响光电流大小。
3.√ 由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,只有当hν≥W0时才能发生光电效应。
4.× 由Ek=hν-W0可知,最大初动能与入射光频率呈线性关系(一次函数关系),但不是严格的正比关系。
5.× 光具有波粒二象性。光电效应体现粒子性,干涉、衍射体现波动性,二者是光的本质属性的不同表现。
6.√ 波粒二象性是光的本质属性。频率越高,光子能量越大,粒子性越显著,但波动性依然存在。
7.× 普朗克提出量子假说解释了黑体辐射;爱因斯坦提出光子说并成功解释了光电效应。
8.√ 
9.√
考点一 黑体辐射 能量子
1.热辐射
(1)定义:周围的一切物体都在辐射    ,这种辐射与物体的    有关,所以叫作热辐射。
(2)特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体的    不同而有所不同。
电磁波
温度
温度
2.黑体、黑体辐射的实验规律
(1)黑体:能够         入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
(2)黑体辐射的实验规律
①黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的    有关。
②随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有    ,另一方面,辐射强度的极大值向波长较    的方向移动,如图。
完全吸收
温度
增加

3.能量量子化
(1)能量子:普朗克认为,当带电微粒辐射或吸收能量时,只能辐射或吸收
                ,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小:ε=    ,其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h被称为普朗克常量。h=6.626 070 15×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
某个最小能量值ε的整数倍

4.光子
(1)光子及光子能量:爱因斯坦认为,光本身是由
组成,频率为ν的光的能量子ε=    ,称为光子。
(2)光子的动量
①康普顿认为,光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。三者关系为p=。
②在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,光子动量可能会变小,波长λ    。
一个个不可分割的能量子

变大
典例1 利用分光技术和热电偶等设备,可以测出黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况,1 700 K和1 500 K两种温度下的黑体,其辐射强度按波长分布的情况是(  )
B
考点二 光电效应规律的理解及应用
1.光电效应及其规律
(1)光电效应现象
照射到金属表面的光,能使金属中的    从表面逸出的现象称为光电效应,这种电子常称为    。
电子
光电子
(2)光电效应规律
①每种金属都有一个截止频率νc,也称作极限频率,入射光的频率必须
       这个截止频率才能产生光电效应。
②光电子的最大初动能与入射光的强度    ,只随入射光    的增大而增大。
③光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。
④当入射光的频率大于或等于截止频率时,在光的颜色不变的情况下,入射光越强,逸出的光电子数越    ,饱和电流越大,逸出光电子的数目与入射光的强度成正比,饱和电流的大小与入射光的强度成    。
大于或等于
无关
频率

正比
2.爱因斯坦光电效应方程
表达式:hν=Ek+W0或Ek=    。
(1)物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的
        。
(2)逸出功W0:电子从金属中逸出所需做功的     叫作这种金属的逸出功,逸出功W0与金属的截止频率的关系为        。
(3)最大初动能:发生光电效应时,金属表面上的    吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。Ek=me,可以利用光电管实验的方法测得,最大初动能与遏止电压Uc的关系为       。
hν-W0
最大初动能
最小值
W0=hνc
电子
Ek=eUc
典例2 研究光电效应的电路图如图所示。开关闭合后,当用波长为λ0的单色光照射光电管的阴极K时,电流表有示数。下列说法正确的是(  )
A.若只让滑片P向D端移动,则电流表的示数一定增大
B.若只增加该单色光的强度,则电流表示数一定增大
C.若改用波长小于λ0的单色光照射光电管的阴极K,
则阴极K的逸出功变大
D.若改用波长大于λ0的单色光照射光电管的阴极K,
则电流表的示数一定为零
B
对点演练1 (2025江苏卷)江门中微子实验室使用我国自主研发的光电倍增管,利用光电效应捕捉中微子信息。光电倍增管阴极金属材料的逸出功为W0,普朗克常量为h。
(1)求该金属的截止频率ν0;
(2)若频率为ν的入射光能使该金属发生光电效应,求光电子的最大初动能Ek。
答案 (1) (2)hν-W0
解析 (1)根据题意,由光电效应方程有Ek=hν0-W0
当Ek=0时,可得该金属的截止频率ν0=。
(2)根据题意,由光电效应方程可得,光电子的最大初动能为Ekm=hν-W0。
考点三 光电效应图像的理解和应用
图像名称 图线形状 获取信息
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系 ①截止频率νc:图线与ν轴交点的横坐标
②逸出功W0:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0=|-E|=E
③普朗克常量h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系 ①截止频率νc:图线与横轴的交点的横坐标
②遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke(注:此时两极之间接反向电压)
图像名称 图线形状 获取信息
颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc:图线与横轴的交点的横坐标
②饱和电流:电流的最大值
③最大初动能:
Ek=eUc
颜色不同时,光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和电流
③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
典例3 在光电效应实验中,某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图所示。则
(  )
A.甲光的强度小于乙光的强度
B.乙光的频率大于丙光的频率
C.丙光照射时,逸出的所有光电子的物质波波长都最短
D.当电压等于U0时,甲、乙光对应的光电子的最大动能相等
D
解析 根据eUc==hν-W0,入射光的频率越高,对应的截止电压Uc越大,甲光、乙光的截止电压相等,所以甲光、乙光的频率相等,丙的截止电压最大,所以丙光的频率最高;甲的饱和电流值大于乙光,说明甲光的强度大于乙光的强度,故A、B错误;光电子动能越大,动量越大,由物质波波长公式λ=可知其波长越短。丙光照射时,不是所有逸出的光电子的动能都是最大的,所以不是所有光电子的物质波波长都最短,C错误;当电压等于U0时,电场力对甲、乙光对应的光电子做的功相等,甲光和乙光对应的光电子的最大初动能相等,由动能定理知电压等于U0时,甲、乙光对应的光电子的最大动能相等,故D正确。
对点演练2 (2025南通一模)用图示装置研究光电效应的规律,ν为入射光的频率,Uc为遏止电压,I为电流表示数,U为电压表示数。下列反映光电效应规律的图像可能正确的是(  )
C
考点四 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        。
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6.626×10-34 J·s。人们把这种波称为 ,
也叫物质波。
波动性
粒子性
波粒二象性
德布罗意
德布罗意波
典例4 著名物理学家汤姆孙曾在实验中让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,已知电子质量为m=9.1×10-31 kg,加速后电子速度v=5.0×106 m/s,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则(  )
A.该图样说明了电子具有粒子性
B.该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm
C.加速电压越大,电子的物质波波长越大
D.使用电子束工作的电子显微镜中,加速电压越大,分辨本领越弱
B
解析 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,A错误;由德布罗意波长公式可得λ=而动量p=mv,两式联立得λ=≈0.15 nm,该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm,B正确;由德布罗意波长公式可得λ=,而动量p=,=,两式联立得λ=,加速电压越大,电子的波长越短,衍射现象就越不明显,分辨本领越强,C、D错误。
典例5 波长为λ的光子与一静止电子发生正碰,测得反弹后的光子波长增大了Δλ,普朗克常量为h,不考虑相对论效应,碰后电子的动量为(  )
A B
C D
B

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