Physique moderne

Objectif d'apprentissage 15.1.A : Décrire les propriétés et le comportement d'un objet présentant à la fois un comportement semblable à celui d'une particule et semblable à celui d'une onde.

• 15.1.A.1 La théorie quantique a été développée pour expliquer les observations de matière et d'énergie qui ne pouvaient pas être expliquées par la mécanique classique. Ces phénomènes incluent, mais sans s'y limiter, les spectres atomiques, le rayonnement du corps noir et l'effet photoélectrique.
  • 15.1.A.1.i La théorie quantique est nécessaire pour décrire les propriétés de la matière aux échelles atomique et subatomique.
  • 15.1.A.1.ii Dans la théorie quantique, les particules fondamentales peuvent présenter à la fois un comportement semblable à celui d'une particule et semblable à celui d'une onde.
• 15.1.A.2 La lumière peut être modélisée tantôt comme une onde, tantôt comme des particules discrètes appelées photons.
  • 15.1.A.2.i Un photon est une particule sans masse et électriquement neutre dont l'énergie est proportionnelle à la fréquence du photon.
    • Équations pertinentes :
    • $E = hf$
    • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
  • 15.1.A.2.ii Les photons se déplacent en ligne droite sauf lorsqu'ils interagissent avec la matière.
• 15.1.A.3 La vitesse d'un photon dépend du milieu à travers lequel il voyage.
  • 15.1.A.3.i La vitesse de tous les photons dans l'espace libre est égale à la vitesse de la lumière, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
  • 15.1.A.3.ii En général, la vitesse des photons à travers un milieu donné est inversement proportionnelle à l'indice de réfraction de ce milieu.
• 15.1.A.4 Les particules peuvent démontrer des propriétés ondulatoires, comme le montrent les variantes de l'expérience de la double fente de Young.
  • 15.1.A.4.i Un modèle ondulatoire de la matière est quantifié par la longueur d'onde de de Broglie, qui augmente lorsque la quantité de mouvement d'une particule diminue.
    • Équation pertinente :
    • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.1.A.4.ii La théorie quantique est nécessaire pour décrire les systèmes dont la longueur d'onde de de Broglie est comparable à la taille du système.
• 15.1.A.5 Les valeurs d'énergie et de quantité de mouvement sont discrètes, ou quantifiées, pour les systèmes liés décrits par la théorie quantique.

Objectif d'apprentissage 15.2.A : Décrire les propriétés d'un atome.

• 15.2.A.1 Les atomes possèdent une structure interne.
  • 15.2.A.1.i Les atomes consistent en un noyau petit et positivement chargé entouré d'un ou plusieurs électrons négativement chargés.
  • 15.2.A.1.ii Le noyau d'un atome est composé de protons et de neutrons.
  • 15.2.A.1.iii Le nombre de neutrons et de protons dans un atome peut être représenté à l'aide de la notation nucléaire.
  • 15.2.A.1.iv Un ion est un atome ayant une charge électrique nette non nulle.
• 15.2.A.2 Chaque élément atomique possède un nombre unique de protons.
  • 15.2.A.2.i Le nombre et l'arrangement des électrons affectent la manière dont les atomes interagissent.
  • 15.2.A.2.ii Le nombre total de neutrons et de protons identifie l'isotope d'un élément.
  • 15.2.A.2.iii La masse d'un atome est dominée par la masse totale des protons et des neutrons situés dans son noyau.
• 15.2.A.3 Le modèle de Bohr de l'atome repose sur la physique classique et constitue la représentation historique de l'atome qui a conduit à la description de l'atome d'hydrogène en termes d'états d'énergie discrets.
  • 15.2.A.3.i Dans le modèle de Bohr de l'atome, les électrons sont modélisés comme se déplaçant autour du noyau en orbites circulaires déterminées par la charge et la masse de l'électron, ainsi que par la force électrique entre l'électron et le noyau.
    • Équations pertinentes :
    • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
    • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
  • 15.2.A.3.ii Le modèle d'onde stationnaire des électrons rend compte de l'existence d'états d'énergie autorisés spécifiques pour un électron dans un atome, car la circonférence de l'orbite de l'électron doit être un multiple entier de la longueur d'onde de de Broglie de l'électron.

Énoncé de limite : L'analyse et la description de la structure électronique se limitent aux niveaux d'énergie et n'incluent pas de descriptions avancées telles que les orbitales, les formes des orbitales ou les fonctions de probabilité.

Objectif d'apprentissage 15.3.A : Décrire l'émission ou l'absorption de photons par les atomes.

• 15.3.A.1 Le transfert d'énergie se produit lorsque des photons sont absorbés ou émis par un atome, modélisé comme un système consistant en un noyau et un électron.
• 15.3.A.2 L'énergie ne peut être absorbée ou émise par un atome que si la quantité d'énergie absorbée ou émise correspond à la différence d'énergie entre deux états d'énergie atomiques.
  • 15.3.A.2.i Un atome dans un état d'énergie donné peut absorber un photon d'énergie appropriée et passer à un état d'énergie supérieur.
  • 15.3.A.2.ii Un atome dans un état d'énergie excité peut émettre un photon d'énergie appropriée pour passer spontanément à un état d'énergie inférieur.
  • 15.3.A.2.iii Puisqu'un atome est modélisé comme un système consistant en un électron et un noyau, un changement d'état d'énergie d'un atome correspond à un changement de l'énergie d'interaction entre l'électron et le noyau.
• 15.3.A.3 Les transitions entre deux états d'énergie d'un atome correspondent à l'absorption ou à l'émission d'un photon de fréquence unique et, par conséquent, de longueur d'onde unique.
• 15.3.A.4 Les atomes de chaque élément ont un ensemble unique de niveaux d'énergie autorisés et, par conséquent, un ensemble unique de fréquences d'absorption et d'émission. L'ensemble unique de fréquences détermine le spectre de l'élément.
  • 15.3.A.4.i Un spectre d'émission peut être utilisé pour déterminer les éléments présents dans une source lumineuse.
  • 15.3.A.4.ii Un spectre d'absorption peut être utilisé pour déterminer les éléments composant une substance en observant la lumière que cette substance a absorbée.
  • 15.3.A.4.iii Les diagrammes de niveaux d'énergie sont couramment utilisés pour représenter visuellement les états d'énergie d'un atome.
• 15.3.A.5 L'énergie de liaison est l'énergie requise pour retirer un électron d'un atome, provoquant l'ionisation de l'atome. Un atome au niveau d'énergie le plus bas (état fondamental) nécessitera la plus grande quantité d'énergie pour retirer l'électron de l'atome.

Énoncé de limite : En AP Physics 2, seuls les diagrammes de niveaux d'énergie des atomes à un seul électron seront considérés.

Objectif d'apprentissage 15.4.A : Décrire le rayonnement électromagnétique émis par un objet en raison de sa température.

• 15.4.A.1 La matière convertira spontanément une partie de son énergie thermique interne en énergie électromagnétique.
• 15.4.A.2 Un corps noir est un modèle idéalisé de matière qui absorbe tout le rayonnement tombant sur lui. Si le corps est en équilibre à une température constante, il doit alors émettre de l'énergie.
• 15.4.A.3 Un corps noir émettra un spectre continu qui dépend uniquement de la température du corps. Le rayonnement émis par un corps noir est souvent modélisé en traçant l'intensité par unité de longueur d'onde en fonction de la longueur d'onde.
  • 15.4.A.3.i La distribution de l'intensité du spectre d'un corps noir en fonction de la température ne peut pas être modélisée uniquement avec des concepts de physique classique. Le spectre d'un corps noir est décrit par la loi de Planck, qui suppose que l'énergie de la lumière est quantifiée.
  • 15.4.A.3.ii La longueur d'onde maximale émise par un corps noir (la longueur d'onde à laquelle le corps noir émet la plus grande quantité de rayonnement par unité de longueur d'onde) diminue avec l'augmentation de la température, tel que décrit par la loi de Wien.
    • Équation pertinente :
    • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
  • 15.4.A.3.iii Le taux auquel l'énergie est émise (puissance) par un corps noir est proportionnel à la surface du corps et à la température du corps élevée à la puissance quatre, tel que décrit par la loi de Stefan-Boltzmann.
    • Équation pertinente :
    • $P = A\sigma T^4$

Objectif d'apprentissage 15.5.A : Décrire une interaction entre des photons et la matière à l'aide de l'effet photoélectrique.

• 15.5.A.1 L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons lorsqu'un rayonnement électromagnétique incidence sur un matériau photosensible.
• 15.5.A.2 L'émission d'électrons via l'effet photoélectrique nécessite une fréquence minimale de lumière incidente, appelée fréquence seuil.
  • 15.5.A.2.i La lumière incidente sur un matériau et dont la fréquence est égale ou supérieure à la fréquence seuil induira l'émission d'électrons, indépendamment du nombre de photons frappant le matériau.
  • 15.5.A.2.ii L'énergie des électrons émis ne dépend pas du nombre de photons incidents sur le matériau, ce qui fournit des preuves que la lumière est constituée de paquets d'énergie discrets et quantifiés appelés photons.
• 15.5.A.3 L'énergie cinétique maximale d'un électron émis est liée à la fréquence de la lumière incidente et au travail d'extraction du matériau, $\phi$.
  • 15.5.A.3.i Le travail d'extraction d'un matériau est l'énergie minimale requise pour émettre un électron depuis les atomes du matériau.
  • 15.5.A.3.ii L'énergie cinétique maximale d'un électron émis est donnée par l'équation $K_{\max} = hf - \phi$.
  • 15.5.A.3.iii Dans un dispositif expérimental typique pour démontrer l'effet photoélectrique et déterminer le travail d'extraction d'un métal, deux plaques métalliques sont placées dans une chambre à vide et connectées à une source variable de différence de potentiel. L'une des plaques est éclairée par une lumière monochromatique qui provoque l'éjection d'électrons et la différence de potentiel entre les plaques est ajustée jusqu'à ce qu'aucun courant ne soit mesuré dans le circuit.

Énoncé de limite : Lorsqu'il est applicable, les travaux d'extraction pour les matériaux seront fournis lors de l'examen ; les étudiants ne sont pas attendus de connaître les valeurs des travaux d'extraction ou les variables d'un matériau qui influencent l'amplitude de son travail d'extraction.

Objectif d'apprentissage 15.6.A : Décrire l'interaction entre des photons et la matière à l'aide de la diffusion Compton.

• 15.6.A.1 Dans la diffusion Compton, un photon interagit avec un électron libre. L'effet Compton se produit lorsqu'un photon émergent de l'interaction a une énergie inférieure et une longueur d'onde plus longue que le photon incident. L'amplitude du changement est liée à la direction du photon après la collision.
• 15.6.A.2 La diffusion Compton fournit des preuves que la lumière est constituée de paquets d'énergie discrets et quantifiés appelés photons.
  • 15.6.A.2.i La diffusion Compton peut être expliquée en traitant un photon comme une particule et en appliquant la conservation de l'énergie et la conservation de la quantité de mouvement à la collision entre le photon et l'électron.
  • 15.6.A.2.ii Le transfert de l'énergie d'un photon vers un électron entraîne un changement de l'énergie, de la quantité de mouvement, de la fréquence et de la longueur d'onde du photon.
    • Équations pertinentes :
    • $E = hf$
    • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
• 15.6.A.3 Le changement de longueur d'onde subi par un photon après avoir heurté un électron est lié à la mesure du changement de direction du photon.
  • Équation pertinente :
  • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

Énoncé de limite : AP Physics 2 inclut des traitements quantitatifs et qualitatifs complets de la conservation de la quantité de mouvement en deux dimensions.

Objectif d'apprentissage 15.7.A : Décrire les propriétés physiques qui contraignent le comportement des noyaux en interaction, des particules subatomiques et des nucléons.

• 15.7.A.1 La force forte s'exerce à l'échelle nucléaire et domine les interactions des nucléons (protons ou neutrons).
• 15.7.A.2 Les réactions nucléaires possibles sont contraintes par la loi de conservation du nombre de nucléons.
• 15.7.A.3 Le comportement des particules constitutives d'une réaction nucléaire est contraint par les lois de conservation de l'énergie, de l'équivalence énergie-masse et de la conservation de la quantité de mouvement.
• 15.7.A.4 Pour toutes les réactions nucléaires, la masse et l'énergie peuvent être échangées en raison de l'équivalence masse-énergie.
  • Équation pertinente :
  • $E = mc^2$
• 15.7.A.5 De l'énergie peut être libérée dans les processus nucléaires sous forme d'énergie cinétique des produits ou sous forme de photons.
• 15.7.A.6 La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux plus petits ou plus se combinent pour former un noyau plus grand, ainsi que des particules subatomiques.
• 15.7.A.7 La fission nucléaire est le processus par lequel le noyau d'un atome se scinde en deux noyaux plus petits ou plus, ainsi que des particules subatomiques.
• 15.7.A.8 La fission nucléaire peut se produire spontanément ou nécessiter un apport d'énergie, selon l'énergie de liaison du noyau.

Objectif d'apprentissage 15.7.B : Décrire la désintégration radioactive d'un échantillon donné de matière composé d'un nombre fini de noyaux.

• 15.7.B.1 La désintégration radioactive est la transformation spontanée d'un noyau en un ou plusieurs noyaux différents.
  • 15.7.B.1.i Le moment auquel un noyau individuel subit une désintégration radioactive est indéterminable, mais les taux de désintégration peuvent être décrits à l'aide de probabilités
  • 15.7.B.1.ii La demi-vie, $t_{1/2}$, d'un matériau radioactif est le temps nécessaire pour que la moitié du nombre initial de noyaux radioactifs ait spontanément désintégré.
  • 15.7.B.1.iii La constante de désintégration $\lambda$ peut être reliée à la demi-vie d'un matériau radioactif par l'équation $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
• 15.7.B.2 La constante de désintégration d'un matériau peut être utilisée pour prédire le nombre de noyaux restants dans un échantillon après une période donnée, ou l'âge d'un matériau si la quantité initiale est connue.
  • Équation pertinente :
  • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
  • Équation dérivée :
  • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
• 15.7.B.3 Les différents éléments et isotopes instables peuvent avoir des demi-vies très variées, allant de fractions de seconde à des milliards d'années.

Objectif d'apprentissage 15.8.A : Décrire les processus par lesquels les noyaux individuels se désintègrent.

• 15.8.A.1 Certains processus de désintégration nucléaire émettent des particules subatomiques aux propriétés uniques.
  • 15.8.A.1.i Une particule alpha, ou noyau d'hélium, se compose de deux neutrons et de deux protons et est symbolisée par $\alpha$ ou $\text{He}^{2+}$. (En Physique 2, seuls les noyaux He-4 seront considérés.)
  • 15.8.A.1.ii Les neutrinos et antineutrinos sont des particules subatomiques qui n'ont aucune charge électrique, ont une masse négligeable et sont symbolisés respectivement par $\nu$ et $\bar{\nu}$.
  • 15.8.A.1.iii Les neutrinos et antineutrinos n'interagissent avec la matière que par l'intermédiaire de la force faible et de la force gravitationnelle, ce qui entraîne une interaction très faible avec la matière ordinaire.
  • 15.8.A.1.iv Les positons, ou antiélectrons, sont des particules subatomiques qui possèdent une charge électrique opposée à celle d'un électron, ont la même masse qu'un électron et sont symbolisées par $e^+$ ou $\beta^+$.
• 15.8.A.2 Les noyaux peuvent subir une désintégration radioactive par désintégration alpha, désintégration bêta-moins ($\beta^-$), désintégration bêta-plus ($\beta^+$) et désintégration gamma ($\gamma$).
  • 15.8.A.2.i Dans toutes les désintégrations nucléaires, le nombre de nucléons (nombre de neutrons et de protons), le nombre de leptons (nombre d'électrons et de neutrinos) et la charge sont conservés.
  • 15.8.A.2.ii La désintégration alpha se produit lorsqu'un noyau éjecte une particule alpha.
  • 15.8.A.2.iii La désintégration bêta-moins se produit lorsqu'un neutron se transforme en proton en émettant un électron et un antineutrino.
  • 15.8.A.2.iv La désintégration bêta-plus se produit lorsqu'un proton se transforme en neutron en émettant un positon et un neutrino.
  • 15.8.A.2.v La désintégration gamma se produit après qu'un noyau a subi une désintégration alpha ou bêta, et que le noyau excité se désintègre vers un état d'énergie inférieur en émettant un photon.
• 15.8.A.3 Le type de désintégration présenté par un noyau donné est déterminé par l'isotope de l'élément.

Déclaration de périmètre : AP Physics 2 ne s'attend pas à ce que les étudiants mémorisent les processus par lesquels des isotopes spécifiques se désintègrent ou les demi-vies d'isotopes spécifiques. L'émission de neutrons et la capture électronique ne sont pas incluses dans le cadre curriculaire AP Physics 2. De plus, les types de neutrinos, les caractéristiques qui distinguent les neutrinos et les antineutrinos, ainsi qu'une explication ou une application de la force faible ne font pas partie du programme de ce cours.