الفيزياء الحديثة

هدف التعلم 15.1.A: وصف خصائص وسلوك جسم يظهر كلًا من السلوك الجسيدي والسلوك الموجي.

• 15.1.A.1 طُورت نظرية الكم لشرح مشاهدات المادة والطاقة التي لم يكن يمكن تفسيرها باستخدام الميكانيكا الكلاسيكية. وتشمل هذه الظواهر، ولا حصر لها، الأطياف الذرية، وإشعاع الجسم الأسود، والتأثير الكهروضوئي.
  • 15.1.A.1.i نظرية الكم ضرورية لوصف خصائص المادة على المستويات الذرية دون الذرية.
  • 15.1.A.1.ii في نظرية الكم، يمكن للجسيمات الأساسية أن تظهر كلًا من السلوك الجسيدي والسلوك الموجي.
• 15.1.A.2 يمكن تمثيل الضوء كالموجة وكجسيمات منفصلة تسمى الفوتونات.
  • 15.1.A.2.i الفوتون هو جسيم عديم الكتلة ومحايد كهربائيًا، طاقته متناسبة مع تردد الفوتون.
    • معادلات ذات صلة:
    • $E = hf$
    • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
  • 15.1.A.2.ii تنتقل الفوتونات في خطوط مستقيمة إلا إذا تفاعلت مع المادة.
• 15.1.A.3 سرعة الفوتون تعتمد على الوسط الذي ينتقل خلاله الفوتون.
  • 15.1.A.3.i سرعة جميع الفوتونات في الفراغ تساوي سرعة الضوء، $c = 3.00 \times 10^{8}$ م/ث.
  • 15.1.A.3.ii بشكل عام، تكون سرعة الفوتونات عبر وسط معين عكسية مع مؤشر انكسار ذلك الوسط.
• 15.1.A.4 يمكن للجسيمات أن تُظهر خصائص موجية، كما هو موضح من خلال variatons لتجربة شقّ ياڠ.
  • 15.1.A.4.i يتم قياس نموذج موجي للمادة بطول موجة دي برولي، والذي يزداد كلما قل زخم الجسيم.
    • معادلة ذات صلة:
    • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.1.A.4.ii نظرية الكم ضرورية لوصف الأنظمة التي يكون فيها طول موجة دي برولي مقارباً لحجم النظام.
• 15.1.A.5 قيم الطاقة والزخم لها قيم متقطعة أو كمّية بالنسبة للأنظمة المرتبطة الموصوفة بنظرية الكم.

هدف التعلم 15.2.A: وصف خصائص الذرة.

• 15.2.A.1 تمتلك الذرات بنية داخلية.
  • 15.2.A.1.i تتكون الذرة من نواة صغيرة موجبة الشحنة محاطة بإلكترون واحد أو أكثر سالب الشحنة.
  • 15.2.A.1.ii تتكون نواة الذرة من بروتونات ونيوترونات.
  • 15.2.A.1.iii يمكن تمثيل عدد النيوترونات والبروتونات في الذرة باستخدام الرموز النووية.
  • 15.2.A.1.iv الأيون هو ذرة تمتلك شحنة كهربائية صافية غير صفرية.
• 15.2.A.2 لكل عنصر ذري عدد فريد من البروتونات.
  • 15.2.A.2.i يؤثر عدد الإلكترونات وترتيبها على كيفية تفاعل الذرات.
  • 15.2.A.2.ii يحدد العدد الكلي للنيوترونات والبروتونات نظير العنصر.
  • 15.2.A.2.iii تعتمد كتلة الذرة في الغالب على الكتلة الكلية للبروتونات والنيوترونات الموجودة في نواتها.
• 15.2.A.3 يعتمد نموذج بور للذرة على الفيزياء الكلاسيكية، وكان التمثيل التاريخي للذرة الذي أدى إلى وصف ذرة الهيدروجين بدلالة مستويات طاقة منفصلة.
  • 15.2.A.3.i في نموذج بور للذرة، تُصوَّر الإلكترونات بأنها تتحرك حول النواة في مدارات دائرية تحددها شحنة الإلكترون وكتلته، بالإضافة إلى القوة الكهربائية بين الإلكترون والنواة.
    • معادلات ذات صلة:
    • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
    • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
  • 15.2.A.3.ii يأخذ نموذج الموجة الموقوفة للإلكترونات بعين الاعتبار وجود حالات طاقة محددة مسموحة للإلكترون في الذرة، لأن محيط المدار الإلكتروني يجب أن يكون مضاعفاً صحيحاً لطول موجة دي برولي للإلكترون.

عبارة الحدود: يقتصر تحليل ووصف بنية الإلكترون على المستويات الطاقة ولن يشمل مثل هذه الأوصاف المتقدمة كالمدارات (الأوربيتالات)، أو أشكال المدارات، أو دوال الاحتمالية.

الهدف التعليمي 15.3.A: صف انبعاث أو امتصاص الفوتونات بواسطة الذرات.

• 15.3.A.1 يحدث انتقال للطاقة عندما تمتص أو تشعّ الذرة فوتونات، وتُصوَّر الذرة هنا كنظام يتكون من نواة وإلكترون.
• 15.3.A.2 لا يمكن للذرة امتصاص أو إشعاع الطاقة إلا إذا كان مقدار الطاقة الممتصة أو المشعة مساوياً لفرق الطاقة بين مستويين طاقة ذريَّين.
  • 15.3.A.2.i قد تمتص الذرة الموجودة في مستوى طاقة معين فوتوناً بطاقة مناسبة وتن移行 إلى مستوى طاقة أعلى.
  • 15.3.A.2.ii قد تشعّ الذرة الموجودة في حالة طاقة مثارة فوتوناً بطاقة مناسبة لتن移行 تلقائياً إلى مستوى طاقة أقل.
  • 15.3.A.2.iii بما أن الذرة تُصوَّر كنظام يتكون من إلكترون ونواة، فإن تغيير المستوى الطاقة للذرة يقابل تغييراً في طاقة التفاعل بين الإلكترون والنواة.
• 15.3.A.3 تقابل الانتقالات بين مستويين طاقة للذرة امتصاص أو إشعاع فوتون بتردد واحد، وبالتالي طول موجة واحد.
• 15.3.A.4 لكل عنصر مجموعة فريدة من المستويات الطاقة المسموحة، وبالتالي مجموعة فريدة من ترددات الامتصاص والانبعاث. تحدد المجموعة الفريدة من الترددات الطيف الخاص بالعنصر.
  • 15.3.A.4.i يمكن استخدام طيف الانبعاث لتحديد العناصر المكونة لمصدر الضوء.
  • 15.3.A.4.ii يمكن استخدام طيف الامتصاص لتحديد العناصر المكونة لمادة ما عن طريق رصد الضوء الذي امتصته المادة.
  • 15.3.A.4.iii تُستخدم مخططات المستويات الطاقة عادةً لتمثيل المستويات الطاقة للذرة تمثيلاً بصرياً.
• 15.3.A.5 طاقة الربط هي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون من الذرة، مما يؤدي إلى تأينها. ستحتاج الذرة في أدنى مستوى طاقة (الحالة الأرضية) إلى أكبر قدر من الطاقة لإزالة الإلكترون منها.

عبارة الحدود: في الفيزياء AP-2، سيتم النظر فقط في مخططات المستويات الطاقة للذرات أحادية الإلكترون.

الهدف التعليمي 15.4.A: صف الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من جسم بسبب درجة حرارته.

• 15.4.A.1 ستحول المادة ذاتياً جزءاً من طاقتها الحرارية الداخلية إلى طاقة كهرومغناطيسية.
• 15.4.A.2 الجسم الأسود هو نموذج مثالي للمادة يمتص جميع الإشعاعات الساقطة عليه. إذا كان الجسم في حالة توازن عند درجة حرارة ثابتة، فإنه يجب بدوره إشعاع الطاقة.
• 15.4.A.3 يشع الجسمares طيفاً متصلاً يعتمد فقط على درجة حرارة الجسم. غالباً ما يُصوَّر الإشعاع المنبعث من الجسمares بتخطيط الكثافة لكل وحدة طول موجة بدلالة الطول الموجي.
  • 15.4.A.3.i لا يمكن نمذجة توزيع كثافة طيف الجسمares بدلالة درجة الحرارة باستخدام مفاهيم الفيزياء الكلاسيكية وحدها. يُوصَف طيف الجسمares بقانون بلانك، الذي يفترض أن طاقة الضوء مُكمَّمة.
  • 15.4.A.3.ii يقل الطول الموجي القصير المنبعث من الجسمares (الطول الموجي الذي يشع فيه الجسمares أكبر قدر من الإشعاع لكل وحدة طول موجي) مع زيادة درجة الحرارة، كما يصفه قانون فين.
    • معادلة ذات صلة:
    • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
  • 15.4.A.3.iii يتناسب معدل إشعاع الطاقة (القدرة) من قبل الجسمares مع مساحة سطح الجسم ومع درجة حرارته مرفوعة للأس الرابع، كما يصفه قانون ستيفان-بولتزمان.
    • معادلة ذات صلة:
    • $P = A\sigma T^4$

الهدف التعليمي 15.5.A: صف تفاعلاً بين الفوتونات والمادة باستخدام الظاهرة الكهروضوئية.

• 15.5.A.1 الظاهرة الكهروضوئية هي انبعاث الإلكترونات عندما يسقط عليها إشعاع كهرومغناطيسي على مادة حساسة ضوئياً.
• 15.5.A.2 يتطلب انبعاث الإلكترونات عبر الظاهرة الكهروضوئية حداً أدنى لتردد الضوء الساقط، يُسمى التردد العتبة.
  • 15.5.A.2.i سيؤدي الضوء الساقط على مادة بتردد عتبة أو أعلى إلى إحداث انبعاث للإلكترونات، بغض النظر عن عدد الفوتونات التي تصطدم بالمادة.
  • 15.5.A.2.ii لا تعتمد طاقة الإلكترونات المنبعثة على عدد الفوتونات الساقطة على المادة، وهو ما يوفر دليلاً على أن الضوء عبارة عن مجموعة من الحزم المنفصلة المُكمَّطة من الطاقة تُسمى الفوتونات.
• 15.5.A.3 ترتبط الطاقة الحركية القصوى للإلكترون المنبعث بتردد الضوء الساقط ودالة عمل المادة، $\phi$.
  • 15.5.A.3.i دالة عمل المادة هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لطرد إلكترون من ذرات المادة.
  • 15.5.A.3.ii تُعطى الطاقة الحركية القصوى للإلكترون المنبعث بالمعادلة $K_{\max} = hf - \phi$.
  • 15.5.A.3.iii في إعداد تجريبي نموذجي لتأثير الكهروضوئي ولتحديد دالة عمل معدن، يتم وضع صفيحتين معدنيتين في حجرة فراغية وتوصيلهما بمصدر متغير لفرق الجهد. يتم تسليط ضوء أحادي اللون على إحدى الصفيحتين مما يؤدي إلى طرد الإلكترونات، ويتم ضبط فرق الجهد بين الصفيحتين حتى لا يُسجل تيار في الدائرة.

عبارة حدودية: عند الاقتضاء، سيتم تقديم دوال العمل للمواد في الامتحان؛ ولا يُتوقع من الطلاب معرفة قيم دوال العمل أو متغيرات المادة التي تؤثر على مقدار دالة عملها.

هدف التعلم 15.6.A: وصف التفاعل بين الفوتونات والمادة باستخدام تشتت كومبتون.

• 15.6.A.1 في تشتت كومبتون، يتفاعل فوتون مع إلكترون حر. يحدث تأثير كومبتون عندما يكون للفوتون الخارج من التفاعل طاقة أقل وطول موجة أطول من الفوتون الساقط. يرتبط مقدار هذا التغيير باتجاه الفوتون بعد الاصطدام.
• 15.6.A.2 يوفر تشتت كومبتون أدلة على أن الضوء عبارة عن مجموعة من حزم الطاقة المتقطعة والمكمّاة تسمى الفوتونات.
  • 15.6.A.2.i يمكن تفسير تشتت كومبتون باعتبار الفوتون جسيمًا وتطبيق قانوني حفظ الطاقة وحفظ الزخم على الاصطدام بين الفوتون والإلكترون.
  • 15.6.A.2.ii يؤدي نقل طاقة الفوتون إلى الإلكترون إلى تغيير طاقة الفوتون وزخمه وتردده وطوله الموجي.
    • معادلات ذات صلة:
    • $E = hf$
    • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
• 15.6.A.3 يرتبط التغير في الطول الموجي الذي يتعرض له الفوتون بعد اصطدامه بالإلكترون بمدى تغير اتجاه الفوتون.
  • معادلة ذات صلة:
  • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

عبارة حدودية: يتضمن الفيزياء AP 2 معالجة كمية ونوعية كاملة لحفظ الزخم في بعدين.

هدف التعلم 15.7.A: وصف الخصائص الفيزيائية التي تقيد سلوك الأنوية المتفاعلة والجسيمات دون الذرية والنيوكليونات.

• 15.7.A.1 تُمارس القوة النووية القوية على المقاييس النووية وتسيطر على تفاعلات النيوكليونات (البروتونات أو النيوترونات).
• 15.7.A.2 تُقيد التفاعلات النووية المحتملة بقانون حفظ عدد النيوكليونات.
• 15.7.A.3 تُقيد سلوك الجسيمات المكونة للتفاعل النووي بقوانين حفظ الطاقة، التكافؤ بين الطاقة والكتلة، وحفظ الزخم.
• 15.7.A.4 بالنسبة لجميع التفاعلات النووية، قد تتم عملية تبادل للكتلة والطاقة بسبب التكافؤ بين الكتلة والطاقة.
  • معادلة ذات صلة:
  • $E = mc^2$
• 15.7.A.5 قد تتحرر الطاقة في العمليات النووية على شكل طاقة حركية للمنتجات أو كفوتونات.
• 15.7.A.6 الاندماج النووي هو العملية التي يندمج فيها نواتان أصغر أو أكثر لتكوين نواة أكبر، بالإضافة إلى جسيمات دون ذرية.
• 15.7.A.7 الانشطار النووي هو العملية التي ينشق فيها نواة الذرة إلى نواتين أصغر أو أكثر، بالإضافة إلى جسيمات دون ذرية.
• 15.7.A.8 قد يحدث الانشطار النووي تلقائيًا أو يتطلب إدخال طاقة، اعتمادًا على طاقة الربط للنواة.

هدف التعلم 15.7.B: وصف التحلل الإشعاعي لعينة معينة من المادة تتكون من عدد محدود من النوى.

• 15.7.B.1 التحلل الإشعاعي هو التحول التلقائي لنواة إلى نواة واحدة أو أكثر مختلفة.
  • 15.7.B.1.i لا يمكن تحديد الوقت الذي تخضع فيه نواة فردية للتحلل الإشعاعي، ولكن يمكن وصف معدلات التحلل باستخدام الاحتمالات.
  • 15.7.B.1.ii نصف العمر، $t_{1/2}$، للمادة المشعة هو الوقت اللازم لنصف العدد الأولي للنوى المشعة لتخضع للتحلل التلقائي.
  • 15.7.B.1.iii يمكن ربط ثابت التفكك $\lambda$ بنصف عمر المادة المشعة بالمعادلة $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
• 15.7.B.2 يمكن استخدام ثابت التفكك للمادة للتنبؤ بعدد النوى المتبقية في العينة بعد فترة زمنية، أو عمر المادة إذا كان الكمية الأولية معروفة.
  • معادلة ذات صلة:
  • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
  • معادلة مشتقة:
  • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
• 15.7.B.3 قد تكون لأbidden غير مستقرة ونظائر مختلفة أوقات نصف عمر مختلفة تمامًا، تتراوح من كسور من الثانية إلى مليارات السنين.

هدف التعلم 15.8.A: وصف العمليات التي تتحلل بها النوى الفردية.

• 15.8.A.1 بعض عمليات تحلل النوى تنبعث منها جسيمات دون ذرية بخصائص فريدة.
  • 15.8.A.1.i جسيم ألفا، أو نواة الهيليوم، يتكون من نيوترونين وبروتونين ويرمز له بـ $\alpha$ أو $\text{He}^{2+}$. (في الفيزياء 2، سيتم النظر فقط في نواة He-4).
  • 15.8.A.1.ii النيوترينات وأضداد النيوترينات هي جسيمات دون ذرية ليس لها شحنة كهربائية، كتلتها مهملة، ويُرمز لها بـ $\nu$ و$\bar{\nu}$ على التوالي.
  • 15.8.A.1.iii تتفاعل النيوترينات وأضداد النيوترينات مع المادة فقط عبر القوة الضعيفة والقوة الجاذبية، مما يؤدي إلى تفاعل ضئيل جدًا مع المادة العادية.
  • 15.8.A.1.iv البوزيترونات، أو مضادات الإلكترونات، هي جسيمات دون ذرية تحمل شحنة كهربائية معاكسة لشحنة الإلكترون، ولها نفس كتلة الإلكترون، ويرمز لها بـ $e^+$ أو $\beta^+$.
• 15.8.A.2 يمكن أن تخضع الأنوية للتحلل الإشعاعي عبر تحلل ألفا، وتحلل بيتا سالب ($\beta^-$)، وتحلل بيتا موجب ($\beta^+$)، وتحلل جاما ($\gamma$).
  • 15.8.A.2.i في جميع تحللات النواة، يتم حفظ العدد الكتلي (عدد النيوترونات والبروتونات)، وعدد الليبتون (عدد الإلكترونات والنوترينوهات)، والشحنة الكهربائية.
  • 15.8.A.2.ii يحدث تحلل ألفا عندما تطرد النواة جسيم ألفا.
  • 15.8.A.2.iii يحدث تحلل بيتا سالب عندما يتحول نيوترون إلى بروتون عن طريق انبعاث إلكترون ومضاد نوترينو.
  • 15.8.A.2.iv يحدث تحلل بيتا موجب عندما يتحول بروتون إلى نيوترون عن طريق انبعاث بوزيترون ونوترينو.
  • 15.8.A.2.v يحدث تحلل جاما بعد أن تخضع النواة لتحلل ألفا أو بيتا، وتتحول النواة المثارة إلى حالة طاقة أقل عن طريق انبعاث فوتون.
• 15.8.A.3 نوع التحلل الذي يظهره نووية معينة يُحدد بواسطة النظير الخاص بالعنصر.

عبارة الحدود: لا يتوقع من طلاب AP Physics 2 حفظ العمليات التي تتحلل بها نظيرات محددة أو عمر نصف النظيرات المحددة. الانبعاث النيوتروني والالتقاط الإلكتروني غير مدرجين في إطار منهج AP Physics 2. بالإضافة إلى ذلك، أنواع النوترينوهات، والخصائص التي تميز النوترينوهات ومضادات النوترينوهات، وشرح أو تطبيق القوة الضعيفة ليست ضمن نطاق هذا المقرر.