原子の問題

静止している電子（質量 $m$）に、波長 $\lambda$ の X 線を当てた。すると、入射方向と $60^{\circ }$ の角をなす向きに散乱された X 線が観測された。X 線光子と電子の衝突では、エネルギー保存則と運動量保存則が成り立つとする。このとき、散乱角を $\varphi$ とすると、散乱による X 線の波長の変化は
$$\Delta \lambda =\frac{h}{mc}(1-\cos \varphi )$$
で表される。ここで $h$ はプランク定数、$c$ は真空中の光速である。散乱された X 線の波長 ${\lambda }^{\prime }$ を、$\lambda$, $h$, $m$, $c$ を用いて表せ。

水素原子のエネルギー準位は、量子数を $n(n=1,2,3,\dots )$ として
$$E_n=-\frac{13.6}{n^2}[\text{eV}]$$
で表される。電子が $n=3$ の状態から $n=2$ の状態へ移るとき、水素原子は光子を 1 個放出する。この光（バルマー系列で最も波長の長い光）の波長は何 m か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、プランク定数を $h=6.63\times 10^{-34}\text{J⋅s}$、真空中の光の速さを $c=3.00\times 10^8\text{m/s}$、電気素量を $e=1.60\times 10^{-19}\text{C}$（$1\text{eV}=1.60\times 10^{-19}\text{J}$）とする。

真空中での波長が $6.0\times 10^{-7}\text{m}$ の光がある。この光の光子 1 個がもつエネルギーは何 eV か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、プランク定数を $h=6.6\times 10^{-34}\text{J⋅s}$、真空中の光の速さを $c=3.0\times 10^8\text{m/s}$、電気素量を $e=1.6\times 10^{-19}\text{C}$ とし、$1\text{eV}=1.6\times 10^{-19}\text{J}$ とする。

真空中での波長が $6.0\times 10^{-7}\text{m}$ の光がある。この光の光子 1 個がもつエネルギーは何 eV か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、プランク定数を $h=6.6\times 10^{-34}\text{J⋅s}$、真空中の光の速さを $c=3.0\times 10^8\text{m/s}$ とし、$1\text{eV}=1.6\times 10^{-19}\text{J}$ とする。

X 線管で、陰極から出た電子を加速電圧 $2.0\times 10^4\text{V}$ で加速し、陽極（ターゲット）に衝突させて X 線を発生させる。陰極を出るときの電子の速さは $0$ とみなす。発生する連続 X 線の最短波長は何 m か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、プランク定数を $h=6.6\times 10^{-34}\text{J⋅s}$、真空中の光の速さを $c=3.0\times 10^8\text{m/s}$、電気素量を $e=1.6\times 10^{-19}\text{C}$ とする。