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Modern Physics

AP Physics 2 · ⁨AP物理学 2⁩ · Topic 15 · ⁨トピック 15⁩

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9:32

近代物理学

一九〇〇年頃、物理学は完成したかに思えました。しかし三つの実験によってそれが崩れました。熱く輝く物体が間違った色を放出しました。金属に光が当たると…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

15.1

Quantum Theory and Wave-Particle Duality · ⁨量子理論と波動粒子二重性⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.1.A: Describe the properties and behavior of an object that exhibits both particle-like and wave-like behavior.

  • 15.1.A.1 Quantum theory was developed to explain observations of matter and energy that could not be explained using classical mechanics. These phenomena include, but are not limited to, atomic spectra, blackbody radiation, and the photoelectric effect.
    • 15.1.A.1.i Quantum theory is necessary to describe the properties of matter at atomic and subatomic scales.
    • 15.1.A.1.ii In quantum theory, fundamental particles can exhibit both particle-like and wave-like behavior.
  • 15.1.A.2 Light can be modeled both as a wave and as discrete particles, called photons.
    • 15.1.A.2.i A photon is a massless, electrically neutral particle with energy proportional to the photon's frequency.
      • Relevant equations:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
    • 15.1.A.2.ii Photons travel in straight lines unless they interact with matter.
  • 15.1.A.3 The speed of a photon depends on the medium through which the photon travels.
    • 15.1.A.3.i The speed of all photons in free space is equal to the speed of light, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
    • 15.1.A.3.ii In general, the speed of photons through a given medium is inversely proportional to the index of refraction of that medium.
  • 15.1.A.4 Particles can demonstrate wave properties, as shown by variations of Young's double-slit experiment.
    • 15.1.A.4.i A wave model of matter is quantified by the de Broglie wavelength, which increases as the momentum of a particle decreases.
      • Relevant equation:
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
    • 15.1.A.4.ii Quantum theory is necessary to describe systems where the de Broglie wavelength is comparable to the size of the system.
  • 15.1.A.5 Values of energy and momentum have discrete, or quantized, values for bound systems described by quantum theory.
日本語

学習目標 15.1.A: 粒子としての性質と波としての性質の両方を示す物体の性質と挙動を説明する。

  • 15.1.A.1 量子理論は、古典力学では説明できない物質とエネルギーの観測を説明するために発展された。これらの現象には、原子スペクトル、黒体放射、光電効果などが含まれる(これらに限定されない)。
    • 15.1.A.1.i 量子理論は、原子レベルおよび亜原子レベルでの物質の性質を記述するために必要である。
    • 15.1.A.1.ii 量子理論において、素粒子は粒子としての性質と波としての性質の両方を示すことができる。
  • 15.1.A.2 光は波としても、光子と呼ばれる離散的な粒子としてもモデル化できる。
    • 15.1.A.2.i 光子は質量を持たず電気的に中性な粒子であり、そのエネルギーは光子の周波数に比例する。
      • 関連方程式:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
    • 15.1.A.2.ii 光子は物質と相互作用しない限り直進する。
  • 15.1.A.3 光子の速度は、光子が通過する媒質に依存する。
    • 15.1.A.3.i 真空中におけるすべての光子の速度は、光速 $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s に等しい。
    • 15.1.A.3.ii 一般的に、特定の媒質中を通過する光子の速度は、その媒質の屈折率に反比例する。
  • 15.1.A.4 粒子も波動性を示すことがあり、ヤングの二重スlit実験の変種によって実証されている。
    • 15.1.A.4.i 物質の波動モデルは、ド・ブロイリー波長によって定量化される。ド・ブロイリー波長は、粒子の運動量が減少すると増加する。
      • 関連方程式:
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
    • 15.1.A.4.ii 量子理論は、ド・ブロイリー波長がシステムのサイズと同程度であるシステムを記述するために必要である。
  • 15.1.A.5 量子理論によって記述される束縛系において、エネルギーおよび運動量の値は離散的、すなわち量子化された値をとる。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

At tiny scales, energy comes in discrete packets called quanta 量子. Light is carried by photons 光子, each with energy set by its frequency:

$$E=hf,$$
where $h$ is Planck's constant. Wave–particle duality 波粒二象性: light and matter each show both wave behavior (interference, diffraction) and particle behavior (photons, electrons as localized hits). A particle also has a matter wavelength $\lambda=\dfrac{h}{p}$, and particles genuinely produce interference - a variation of Young's double-slit experiment 双缝实验 done with electrons builds up the same fringe pattern as light.

Worked example. Find the energy of a photon of orange light with frequency $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ ($h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$): $E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$, which is about $2.1\ \text{eV}$ (dividing by $1.6\times10^{-19}$). Visible-light photons carry a few electronvolts – just right to trigger the chemistry of vision and photosynthesis.

日本語
雲室:放射能崩壊からの荷電粒子を追跡する近代物理学の装置
雲室:放射能崩壊からの荷電粒子を追跡する近代物理学の装置

微小スケールでは、エネルギーは離散的なパケットであるクオンタとして存在します。光は光子によって運ばれ、各光子のエネルギーはその周波数で決まります:

$$E=hf,$$
ここで $h$ はプランク定数です。波動粒子二重性:光と物質はどちらも波動性(干渉、回折)と粒子性(光子、電子の局在した衝突)を示します。粒子はまた物質波長 $\lambda=\dfrac{h}{p}$ を持ち、粒子自体が干渉を生じることも実証されています。電子を用いて行われたヤングの二重スリット実験のバリエーションは、光と同じ縞模様の蓄積を示します。

電子が回折パターンを形成し、粒子が波動性を有することを示す
電子が回折パターンを形成し、粒子が波動性を有することを示す

** worked example **。周波数 $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ ( $h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$ )の橙色光の光子のエネルギーを求めよ: $E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$ 。これは約 $2.1\ \text{eV}$ に相当する( $1.6\times10^{-19}$ で割る)。可視光の光子は数electronvoltsのエネルギーを持ち、視覚や光合成の化学反応を引き起こすのにちょうど良い値です。

15.2

The Bohr Model of Atomic Structure · ⁨ボーアの原子構造モデル⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.2.A: Describe the properties of an atom.

  • 15.2.A.1 Atoms have internal structure.
    • 15.2.A.1.i Atoms consist of a small, positively charged nucleus surrounded by one or more negatively charged electrons.
    • 15.2.A.1.ii The nucleus of an atom is made up of protons and neutrons.
    • 15.2.A.1.iii The number of neutrons and protons in an atom can be represented using nuclear notation.
    • 15.2.A.1.iv An ion is an atom with a nonzero net electric charge.
  • 15.2.A.2 Each atomic element has a unique number of protons.
    • 15.2.A.2.i The number and arrangements of electrons affects how atoms interact.
    • 15.2.A.2.ii The total number of neutrons and protons identifies the isotope of an element.
    • 15.2.A.2.iii The mass of an atom is dominated by the total mass of the protons and neutrons in its nucleus.
  • 15.2.A.3 The Bohr model of the atom is based on classical physics and was the historical representation of the atom that led to the description of the hydrogen atom in terms of discrete energy states.
    • 15.2.A.3.i In the Bohr model of the atom, electrons are modeled as moving around the nucleus in circular orbits determined by the electron's charge and mass, as well as the electric force between the electron and the nucleus.
      • Relevant equations:
      • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
      • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
    • 15.2.A.3.ii The standing wave model of electrons accounts for the existence of specific allowed energy states of an electron in an atom, because the electron orbit's circumference must be an integer multiple of the electron's de Broglie wavelength.

Boundary statement: The analysis and description of electron structure is limited to energy levels and will not include such advanced descriptions as orbitals, orbital shapes, or probability functions.

日本語

学習目標 15.2.A: 原子の性質を説明する。

  • 15.2.A.1 原子には内部構造がある。
    • 15.2.A.1.i 原子は、正電荷を持つ微小な原子核と、その周囲を回っている1つ以上の負電荷を持つ電子から構成される。
    • 15.2.A.1.ii 原子核は陽子と中性子からなる。
    • 15.2.A.1.iii 原子内の中性子数と陽子数は、核記号を用いて表現できる。
    • 15.2.A.1.iv イオンとは、非ゼロの純電荷を持つ原子のことである。
  • 15.2.A.2 各元素は固有の陽子数を有している。
    • 15.2.A.2.i 電子の数や配置は、原子間の相互作用に影響を与える。
    • 15.2.A.2.ii 中性子と陽子の合計数は、ある元素の同位体を識別する。
    • 15.2.A.2.iii 原子の質量は、主に核内の陽子と中性子の質量の合計によって決まる。
  • 15.2.A.3 ボーアの原子モデルは古典力学に基づいており、水素原子を離散的なエネルギー準位として記述するに至った歴史的な原子の表現である。
    • 15.2.A.3.i ボーアの原子モデルにおいて、電子は負電荷および質量、ならびに電子と核間の静電力によって決定された円軌道上を核の周りを回るとモデル化される。
      • 関連方程式:
      • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
      • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
    • 15.2.A.3.ii 電子の定常波モデルは、電子軌道の周囲の長さが電子のド・ブロイ波長に対して整数倍でなければならないため、原子内にある電子の特定の許容エネルギー準位の存在を説明する。

境界文: 電子構造の解析と記述はエネルギー準位に限定され、軌道、軌道の形状、または確率関数などの高度な記述は含まれない。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

The Bohr model 玻尔模型 pictures electrons orbiting the nucleus only in certain allowed energy levels 能级. An electron can jump between levels only by absorbing or emitting a photon whose energy exactly matches the gap:

$$E_{\text{photon}}=|E_{\text{final}}-E_{\text{initial}}|.$$
Because the levels are discrete, only specific photon energies are allowed.

日本語

ボーア模型では、電子は特定の許容されたエネルギー準位のみを核の周りを回ると描かれます。電子が準位間を遷移するのは、そのギャップに正確に一致するエネルギーを持つ光子を吸収または放出する場合に限られます:

$$E_{\text{photon}}=|E_{\text{final}}-E_{\text{initial}}|.$$
準位が離散的であるため、特定の光子エネルギーのみが許容されます。

15.3

Emission and Absorption Spectra · ⁨放射スペクトルと吸収スペクトル⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.3.A: Describe the emission or absorption of photons by atoms.

  • 15.3.A.1 Energy transfer occurs when photons are absorbed or emitted by an atom, which is modeled as a system consisting of a nucleus and an electron.
  • 15.3.A.2 Energy can only be absorbed or emitted by an atom if the amount of energy being absorbed or emitted corresponds to the energy difference between two atomic energy states.
    • 15.3.A.2.i An atom in a given energy state may absorb a photon of the appropriate energy and transition to a higher energy state.
    • 15.3.A.2.ii An atom in an excited energy state may emit a photon of the appropriate energy to spontaneously move to a lower energy state.
    • 15.3.A.2.iii Because an atom is modeled as a system consisting of an electron and a nucleus, a change in the energy state of an atom corresponds to a change in the interaction energy between the electron and the nucleus.
  • 15.3.A.3 Transitions between two energy states of an atom correspond to the absorption or emission of a photon of a single frequency and, therefore, a single wavelength.
  • 15.3.A.4 Atoms of each element have a unique set of allowed energy levels and thereby a unique set of absorption and emission frequencies. The unique set of frequencies determines the element's spectrum.
    • 15.3.A.4.i An emission spectrum can be used to determine the elements in a source of light.
    • 15.3.A.4.ii An absorption spectrum can be used to determine the elements composing a substance by observing what light the substance has absorbed.
    • 15.3.A.4.iii Energy level diagrams are commonly used to visually represent the energy states of an atom.
  • 15.3.A.5 Binding energy is the energy required to remove an electron from an atom, causing the atom to become ionized. An atom in the lowest energy level (ground state) will require the greatest amount of energy to remove the electron from the atom.

Boundary statement: In AP Physics 2, only energy level diagrams of single-electron atoms will be considered.

日本語

学習目標 15.3.A: 原子による光子の放射および吸収を記述する。

  • 15.3.A.1 光子が原子によって吸収または放射される際、エネルギー移動が発生する。これは核と電子からなる系としてモデル化される。
  • 15.3.A.2 原子がエネルギーを吸収または放射できるのは、そのエネルギー量が2つの原子エネルギー準位間のエネルギー差に対応する場合のみである。
    • 15.3.A.2.i 特定のエネルギー準位にある原子は、適切なエネルギーを持つ光子を吸収し、より高いエネルギー準位へ遷移することがある。
    • 15.3.A.2.ii 励起エネルギー準位にある原子は、自発的に低いエネルギー準位へ移動するために、適切なエネルギーを持つ光子を放射することがある。
    • 15.3.A.2.iii 原子は電子と核からなる系としてモデル化されるため、原子のエネルギー準位の変化は電子と核間の相互作用エネルギーの変化に対応する。
  • 15.3.A.3 原子の2つのエネルギー準位間の遷移は、単一の周波数(したがって単一の波長)を持つ光子の吸収または放射に対応する。
  • 15.3.A.4 各元素の原子には、固有の許容エネルギー準位のセットがあり、それにより固有の吸収・放射周波数のセットがある。この固有の周波数セットがその元素のスペクトルを決定する。
    • 15.3.A.4.i 放射スペクトルは、光源に含まれる元素を特定するために使用できる。
    • 15.3.A.4.ii 吸収スペクトルは、物質がどのような光を吸収したかを観察することで、その物質を構成する元素を特定するために使用できる。
    • 15.3.A.4.iii エネルギー準位図は一般的に、原子のエネルギー状態を視覚的に表すために用いられる。
  • 15.3.A.5 結合エネルギーとは、原子から電子を取り除き、原子をイオン化させるために必要なエネルギーのことである。最低エネルギー準位(基底状態)にある原子は、電子を取り除くために最大のエネルギーを必要とする。

境界文: AP物理学2では、単一電子原子のエネルギー準位図のみが対象となる。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English
  • An emission spectrum 发射光谱 is the set of bright lines given off when electrons drop to lower levels – each line a specific wavelength.
  • An absorption spectrum 吸收光谱 is the set of dark lines where those same wavelengths are absorbed from a continuous source.

The line pattern is a fingerprint of the element, since every element has its own energy levels.

日本語
  • 放射スペクトルとは、電子が低い準位へ遷移した際に放出される明線の集合であり、各線は特定の波長に対応します。
  • 吸収スペクトルとは、連続光源からそれらの同じ波長が吸収される位置に現れる暗線の集合です。
水素の離散エネルギー準位がスペクトル線を生成する
水素の離散的なエネルギー準位が明線スペクトルを生み出す

この明線のパターンは元素の指紋のようなものであり、なぜなら各元素固有のエネルギー準位を持っているからです。

黒背景上の水素の可視放射線4本
水素の放射スペクトル:各明線は、電子が固定されたエネルギー準位間で遷移する際に放出される光
Explore · ⁨探索⁩

See an element's line spectrum · ⁨元素の線スペクトルを見る⁩

Electrons jump between fixed energy levels, emitting or absorbing photons of exact wavelengths — a line spectrum that fingerprints the element. · ⁨電子は固定されたエネルギー準位間で遷移し、特定の波長を持つ光子を放出または吸収する。これがその元素の「指紋」となる線スペクトルである。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
quanta/ˈkwɒntə/ 量子
photons/ˈfəʊtɒnz/ 光子
Wave–particle duality/weɪv ˈpɑːtɪkl djuːˈælɪti/ 波動-粒子二重性
double-slit experiment/ˈdʌbl slɪt ekˈsperɪmənt/ 二重すリット実験
Bohr model/ˈbəʊə ˈmɒdl/ ボーア模型
energy levels/ˈenədʒi ˈlevlz/ エネルギー準位
emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ 輝線スペクトル
absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ 吸収スペクトル
15.4

Blackbody Radiation · ⁨黒体放射⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
Learning ObjectiveEssential Knowledge

15.4.A
Describe the electromagnetic radiation emitted by an object due to its temperature.

  • 15.4.A.1 Matter will spontaneously convert some of its internal thermal energy into electromagnetic energy.
  • 15.4.A.2 A blackbody is an idealized model of matter that absorbs all radiation that falls on the body. If the body is in equilibrium at a constant temperature, then it must in turn emit energy.
  • 15.4.A.3 A blackbody will emit a continuous spectrum that only depends on the body's temperature. The radiation emitted by a blackbody is often modeled by plotting intensity per unit wavelength as a function of wavelength.
    • 15.4.A.3.i The distribution of the intensity of a blackbody's spectrum as a function of temperature cannot be modeled using only classical physics concepts. A blackbody's spectrum is described by Planck's law, which assumes that the energy of light is quantized.
    • 15.4.A.3.ii The peak wavelength emitted by a blackbody (the wavelength at which the blackbody emits the greatest amount of radiation per unit wavelength) decreases with increasing temperature, as described by Wien's law.
      • Relevant equation:
      • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
    • 15.4.A.3.iii The rate at which energy is emitted (power) by a blackbody is proportional to the surface area of the body and to the temperature of the body raised to the fourth power, as described by the Stefan-Boltzmann law.
      • Relevant equation:
      • $P = A\sigma T^4$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

A blackbody 黑体 emits a continuous spectrum that depends only on its temperature. Hotter objects glow brighter and peak at shorter wavelengths (red-hot to white-hot to blue-hot). Explaining this spectrum required quantized energy – a founding problem of quantum theory.

日本語

黒体は温度のみに依存する連続スペクトルを放射します。高温物体ほど輝度が高く、ピークは短い波長側へシフトします(赤熱→白熱→青熱)。このスペクトルを説明するには量子化されたエネルギーが必要であり、これは量子力学の成立に不可欠な問題でした。

高温の黒体はより多く放射し、ピークは短い波長側へシフトする
高温の黒体はより多く放射し、ピークは短い波長側へシフトする
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
blackbody/ˈblækbɒdi/ 黒体
photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ 光電効果
work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ 仕事関数
Compton scattering/ˈkɒmptn ˈskætərɪŋ/ コンプトン散乱
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 核
Fission/ˈfɪʃn/ 核分裂
Fusion/ˈfjuːʒn/ 核融合
15.5

The Photoelectric Effect · ⁨光電効果⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.5.A: Describe an interaction between photons and matter using the photoelectric effect.

  • 15.5.A.1 The photoelectric effect is the emission of electrons when electromagnetic radiation is incident upon a photoactive material.
  • 15.5.A.2 The emission of electrons via the photoelectric effect requires a minimum frequency of incident light, called the threshold frequency.
    • 15.5.A.2.i Light that is incident on a material and is at the threshold frequency or higher will induce electron emission, regardless of the number of photons that strike the material.
    • 15.5.A.2.ii The energy of the emitted electrons is not dependent on the number of photons that are incident upon the material, which provides evidence that light is a collection of discrete, quantized energy packets called photons.
  • 15.5.A.3 The maximum kinetic energy of an emitted electron is related to the frequency of the incident light and the work function of the material, $\phi$.
    • 15.5.A.3.i The work function of a material is the minimum energy required to emit an electron from atoms in the material.
    • 15.5.A.3.ii The maximum kinetic energy of an emitted electron is given by the equation $K_{\max} = hf - \phi$.
    • 15.5.A.3.iii In a typical experimental setup to demonstrate the photoelectric effect and determine the work function of a metal, two metal plates are placed in a vacuum chamber and connected to a variable source of potential difference. One of the plates is illuminated by monochromatic light that causes electrons to be ejected and the potential difference between the plates is adjusted until no current is measured in the circuit.

Boundary statement: Where applicable, work functions for materials will be provided on the exam; students are not expected to know values of work functions or variables of a material that influence the magnitude of its work function.

日本語

学習目標 15.5.A: 光電効果を用いて、光子と物質の相互作用を記述する。

  • 15.5.A.1 光電効果とは、電磁放射が光活性物質に当たらせることで電子が放出される現象である。
  • 15.5.A.2 光電効果による電子の放出には、閾値周波数と呼ばれる入射光の最小周波数が要求される。
    • 15.5.A.2.i 閾値周波数以上に入射した光は、物質に当たる光子の数に関わらず、電子の放出を引き起こす。
    • 15.5.A.2.ii 放出される電子のエネルギーは、物質に入射する光子の数に依存しない。これは、光が光子と呼ばれる離散的な量子化されたエネルギーパケットの集まりであることを示す証拠である。
  • 15.5.A.3 放出される電子の最大運動エネルギーは、入射光の周波数および材料の仕事関数に依存する。 $\phi$。
    • 15.5.A.3.i 材料の仕事関数は、その材料中の原子から電子を放出するために必要な最小エネルギーである。
    • 15.5.A.3.ii 放出される電子の最大運動エネルギーは、以下の式で表される。 $K_{\max} = hf - \phi$。
    • 15.5.A.3.iii 光電効果を示し、金属の仕事関数を測定するための一般的な実験装置では、真空チャンバー内に2枚の金属板を設置し、可変電源で接続する。片方の板を単色光で照射して電子を放出させ、回路に電流が流れなくなるまで板間の電位差を調整する。

境界線: 適用される場合、試験では材料ごとの仕事関数が提示され、学生が仕事関数の値やその大きさに影響を与える材料の変数を記憶する必要はない。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English
The photoelectric effect

Shining light on a metal can eject electrons – the photoelectric effect 光电效应. Key facts (which only the photon picture explains): electrons come out only if the photon's frequency exceeds a threshold, no matter how bright a dimmer, lower-frequency light is. Energy conservation gives

$$K_{\max}=hf-\phi,$$
where $\phi$ is the metal's work function 逸出功 (the energy to free an electron).

Worked example. Light of frequency $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ falls on a metal with work function $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$. The most energetic electrons come off with

$$K_{\max}=hf-\phi=(6.63\times10^{-34}\times8.0\times10^{14})-3.0\times10^{-19}=5.3\times10^{-19}-3.0\times10^{-19}=2.3\times10^{-19}\ \text{J}.$$
Below the threshold frequency $\phi/h$, $K_{\max}$ would be negative – meaning no electrons escape at all, however bright the light.

日本語
光電効果

金属に光を当てると電子が放出されることがあります。これを光電効果と呼びます。重要な事実は(これらは光子モデルのみで説明できます)以下の通りです。光子の周波数が閾値を超えた場合에만電子が放出され、低周波数の光であっても明るさが弱くても放出されません。エネルギー保存則により、

$$K_{\max}=hf-\phi,$$
ここで $\phi$ は金属の仕事関数(電子を解放するために必要なエネルギー)です。

光電子の最大運動エネルギーは周波数に対して直線的に増加する
光電子の最大運動エネルギーは周波数に対して直線的に増加する

** worked example.** 周波数 $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ の光が仕事関数 $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$ の金属に当たったとき、最も運動エネルギーの大きい電子は

$$K_{\max}=hf-\phi=(6.63\times10^{-34}\times8.0\times10^{14})-3.0\times10^{-19}=5.3\times10^{-19}-3.0\times10^{-19}=2.3\times10^{-19}\ \text{J}.$$
閾値周波数 $\phi/h$ 未満では $K_{\max}$ が負となります——つまり、光がいくら明るくても、電子は一切放出されません。

15.6

Compton Scattering · ⁨コンプトン散乱⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.6.A: Describe the interaction between photons and matter using Compton scattering.

  • 15.6.A.1 In Compton scattering, a photon interacts with a free electron. The Compton effect is when a photon that emerges from the interaction has a lower energy and longer wavelength than the incoming photon. The magnitude of the change is related to the direction of the photon after the collision.
  • 15.6.A.2 Compton scattering provides evidence that light is a collection of discrete, quantized energy packets called photons.
    • 15.6.A.2.i Compton scattering can be explained by treating a photon as a particle and applying conservation of energy and conservation of momentum to the collision between the photon and electron.
    • 15.6.A.2.ii The transfer of a photon's energy to an electron results in the energy, momentum, frequency, and wavelength of the photon changing.
      • Relevant equations:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.6.A.3 The change in wavelength experienced by a photon after colliding with an electron is related to how much the photon's direction changes.
    • Relevant equation:
    • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

Boundary statement: AP Physics 2 includes full quantitative and qualitative treatments of conservation of momentum in two dimensions.

日本語

学習目標 15.6.A: コンプトン散乱を用いて、光子と物質の相互作用を説明する。

  • 15.6.A.1 コンプトン散乱では、光子が自由電子と相互作用する。コンプトン効果とは、相互作用後に出現する光子が、入射した光子よりもエネルギーが低く、波長が長い現象である。この変化の大きさは、衝突後の光子の進行方向に依存する。
  • 15.6.A.2 コンプトン散乱は、光が光子と呼ばれる離散的で量子化されたエネルギー塊の集合であることを示す証拠となる。
    • 15.6.A.2.i コンプトン散乱は、光子を粒子として扱い、光子と電子の衝突に対してエネルギー保存則および運動量保存則を適用することで説明できる。
    • 15.6.A.2.ii 光子のエネルギーが電子へ伝達されることで、光子のエネルギー、運動量、周波数、波長が変化する。
      • 関連方程式:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.6.A.3 電子との衝突によって光子が経験する波長の変化は、光子の進行方向の変化の程度に依存する。
    • 関連する式:
    • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

境界線: AP Physics 2には、2次元における運動量保存則の完全な定量的・定性的な記述が含まれる。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

In Compton scattering 康普顿散射, a photon collides with an electron like two particles, transferring some energy and momentum. The scattered photon comes out with less energy (longer wavelength). This is direct evidence that photons carry momentum and behave as particles.

日本語

コンプトン散乱では、光子が電子と二つの粒子のような衝突を行い、一部のエネルギーと運動量を伝達します。散乱された光子はより少ないエネルギー(長い波長)を持って出ます。これは光子が運動量を持ち、粒子として振る舞うことを示す直接的な証拠です。

15.7

Fission, Fusion, and Nuclear Decay · ⁨核分裂、核融合、および放射性崩壊⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.7.A: Describe the physical properties that constrain the behavior of interacting nuclei, subatomic particles, and nucleons.

  • 15.7.A.1 The strong force is exerted at nuclear scales and dominates the interactions of nucleons (protons or neutrons).
  • 15.7.A.2 Possible nuclear reactions are constrained by the law of conservation of nucleon number.
  • 15.7.A.3 The behavior of the constituent particles of a nuclear reaction is constrained by laws of conservation of energy, energy-mass equivalence, and conservation of momentum.
  • 15.7.A.4 For all nuclear reactions, mass and energy may be exchanged due to mass-energy equivalence.
    • Relevant equation:
    • $E = mc^2$
  • 15.7.A.5 Energy may be released in nuclear processes in the form of kinetic energy of the products or as photons.
  • 15.7.A.6 Nuclear fusion is the process by which two or more smaller nuclei combine to form a larger nucleus, as well as subatomic particles.
  • 15.7.A.7 Nuclear fission is the process by which the nucleus of an atom splits into two or more smaller nuclei, as well as subatomic particles.
  • 15.7.A.8 Nuclear fission may occur spontaneously or may require an energy input, depending on the binding energy of the nucleus.

Learning Objective 15.7.B: Describe the radioactive decay of a given sample of material consisting of a finite number of nuclei.

  • 15.7.B.1 Radioactive decay is the spontaneous transformation of a nucleus into one or more different nuclei.
    • 15.7.B.1.i The time at which an individual nucleus undergoes radioactive decay is indeterminable, but decay rates can be described using probability
    • 15.7.B.1.ii The half-life, $t_{1/2}$, of a radioactive material is the time it takes for half of the initial number of radioactive nuclei to have spontaneously decayed.
    • 15.7.B.1.iii The decay constant $\lambda$ can be related to the half-life of a radioactive material with the equation $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
  • 15.7.B.2 A material's decay constant may be used to predict the number of nuclei remaining in a sample after a period of time, or the age of a material if the initial amount of material is known.
    • Relevant equation:
    • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
    • Derived equation:
    • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
  • 15.7.B.3 Different unstable elements and isotopes may have vastly different half-lives, ranging from fractions of a second to billions of years.
日本語

学習目標 15.7.A: 相互作用する原子核、素粒子、核子の振る舞いを制約する物理的特性を説明する。

  • 15.7.A.1 強い力(核力)は核スケールで働き、核子(陽子または中性子)の相互作用を支配する。
  • 15.7.A.2 可能な核反応は、核子数保存則によって制限される。
  • 15.7.A.3 核反応の構成粒子の振る舞いは、エネルギー保存則、質量-エネルギー等価性、および運動量保存則によって制限される。
  • 15.7.A.4 すべての核反応において、質量-エネルギー等価性により質量とエネルギーが交換されることがある。
    • 関連する式:
    • $E = mc^2$
  • 15.7.A.5 核過程では、生成物の運動エネルギーとして、あるいは光子としてエネルギーが放出されることがある。
  • 15.7.A.6 核融合とは、2つ以上の小さな原子核が結合してより大きな原子核、および素粒子を形成するプロセスである。
  • 15.7.A.7 核分裂とは、原子核が2つ以上の小さな原子核、および素粒子に分裂するプロセスである。
  • 15.7.A.8 核分裂は、原子核の結合エネルギーに応じて、自発的に起こるか、あるいはエネルギー投入を必要とするかする。

学習目標 15.7.B: 有限個の原子核からなる特定の試料の放射性崩壊を説明する。

  • 15.7.B.1 放射性崩壊とは、原子核が自発的に1つ以上の異なる原子核に変換されることである。
    • 15.7.B.1.i 個々の原子核が放射性崩壊を起こす時期は予測できないが、確率を用いて崩壊速度を記述できる。
    • 15.7.B.1.ii 放射性材料の半減期 $t_{1/2}$ は、初期の放射性原子核の半分が自発的に崩壊するのに要する時間である。
    • 15.7.B.1.iii 崩壊定数 $\lambda$ は、以下の式を用いて放射性材料の半減期と関連付けられる。 $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$。
  • 15.7.B.2 材料の崩壊定数を用いることで、一定時間の経過後に試料に残存する原子核数を予測したり、初期量が既知であれば材料の年代を決定したりできる。
    • 関連する式:
    • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
    • 導出された式:
    • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
  • 15.7.B.3 不安定な元素や同位体はそれぞれ異なり、半減期は秒の単位から数十億年に及ぶ範囲にある。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

The nucleus 原子核 stores enormous energy. Fission 裂变 splits a heavy nucleus into lighter ones, releasing energy (nuclear reactors, bombs). Fusion 聚变 joins light nuclei into a heavier one (the Sun's power). Both release energy because the products have slightly less mass, converted by $E=mc^2$.

Worked example. Even a tiny mass converts to a huge energy. If a nuclear reaction loses $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$ of mass, it releases $E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ – roughly the energy of $20\,000$ tonnes of TNT.

日本語

原子核には膨大なエネルギーが蓄えられています。核分裂は重い原子核を軽いものへ分割してエネルギーを放出します(原子力発電所、爆弾)。核融合は軽い原子核を結合させて重い原子核を作ります(太陽のエネルギー源)。どちらも生成物の質量がわずかに少なくなるためエネルギーを放出しますが、この質量欠損は $E=mc^2$ を通じてエネルギーに変換されます。

核子あたりの結合エネルギーは鉄付近で最大となるため、核融合も核分裂もエネルギーを放出できる
核子あたりの結合エネルギーは鉄付近で最大となるため、核融合も核分裂もエネルギーを放出できる

演習例。 微小な質量でも巨大なエネルギーに変換されます。ある核反応で $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$ の質量減少があった場合、$E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ のエネルギーが放出され、これは約 $20\,000$ トンのTNTのエネルギーに相当します。

原子力発電所:重核の分裂が植物を駆動するエネルギーを放出する
原子力発電所:重い原子核の核分裂によって発電所を駆動するエネルギーが放出される
Explore · ⁨探索⁩

Balance a nuclear decay equation · ⁨核崩壊方程式を釣り合わせる⁩

In alpha, beta and gamma decay, nucleon and charge numbers must balance. Pick a mode and see how the parent turns into the daughter nuclide. · ⁨アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊において、核子数と電荷数は釣り合う必要がある。崩壊モードを選択し、親核種から娘核種への変換を確認せよ。⁩

15.8

Types of Radioactive Decay · ⁨放射性崩壊の種類⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 15.8.A: Describe the processes by which individual nuclei decay.

  • 15.8.A.1 Some processes by which nuclei decay emit subatomic particles with unique properties.
    • 15.8.A.1.i An alpha particle, or helium nucleus, consists of two neutrons and two protons and is symbolized by $\alpha$ or $\text{He}^{2+}$. (In Physics 2, only He-4 nuclei will be considered.)
    • 15.8.A.1.ii Neutrinos and antineutrinos are subatomic particles that have no electrical charge, have negligible mass, and are symbolized by $\nu$ and $\bar{\nu}$, respectively.
    • 15.8.A.1.iii Neutrinos and antineutrinos only interact with matter via the weak force and the gravitational force, which results in very little interaction with normal matter.
    • 15.8.A.1.iv Positrons, or antielectrons, are subatomic particles that have an electric charge opposite that of an electron, have the same mass as an electron, and are symbolized by $e^+$ or $\beta^+$.
  • 15.8.A.2 Nuclei can undergo radioactive decay via alpha decay, beta-minus decay ($\beta^-$), beta-plus decay ($\beta^+$), and gamma decay ($\gamma$).
    • 15.8.A.2.i In all nuclear decays, nucleon number (the number of neutrons and protons), lepton number (the number of electrons and neutrinos), and charge are conserved.
    • 15.8.A.2.ii Alpha decay occurs when a nucleus ejects an alpha particle.
    • 15.8.A.2.iii Beta-minus decay occurs when a neutron changes to a proton by emitting an electron and antineutrino.
    • 15.8.A.2.iv Beta-plus decay occurs when a proton changes to a neutron by emitting a positron and neutrino.
    • 15.8.A.2.v Gamma decay occurs after a nucleus has undergone alpha or beta decay and the excited nucleus decays to a lower energy state by emitting a photon.
  • 15.8.A.3 The type of decay exhibited by a given nucleus is determined by the isotope of the element.

Boundary statement: AP Physics 2 does not expect students to memorize the processes by which specific isotopes decay or the half-lives of specific isotopes. Neutron emission and electron capture are not included in the AP Physics 2 curriculum framework. Additionally, types of neutrinos, the characteristics that distinguish neutrinos and antineutrinos, and an explanation or application of the weak force are not within the scope of this course.

日本語

学習目標 15.8.A: 個々の原子核が崩壊するプロセスを説明する。

  • 15.8.A.1 原子核が崩壊するいくつかのプロセスでは、固有の性質を持つ素粒子が放出される。
    • 15.8.A.1.i アルファ粒子(ヘリウム原子核)は、2つの中性子と2つの陽子から構成され、以下のように表される。 $\alpha$ または $\text{He}^{2+}$。(Physics 2では、He-4の原子核のみを対象とする。)
    • 15.8.A.1.ii ニュートリノと反ニュートリノは、電気的電荷を持たず、質量は無視できるほど小さい素粒子であり、それぞれ以下のように表される。 $\nu$ および $\bar{\nu}$。
    • 15.8.A.1.iii ニュートリノと反ニュートリノは、弱い力と重力のみを通じて物質と相互作用するため、通常物質との相互作用は極めて少ない。
    • 15.8.A.1.iv ポストロン(反電子)とは、電子とは逆の電荷を持ち、電子と同じ質量を持つ素粒子であり、$e^+$または$\beta^+$で表される。
  • 15.8.A.2 原子核は、アルファ崩壊、ベータマイナス崩壊($\beta^-$)、ベータプラス崩壊($\beta^+$)、ガンマ崩壊($\gamma$)のいずれかの放射性崩壊を起こすことができる。
    • 15.8.A.2.i すべての核崩壊において、核子数(中性子と陽子の数)、レプトン数(電子とニュートリノの数)、電荷は保存される。
    • 15.8.A.2.ii アルファ崩壊とは、原子核がアルファ粒子を放出することである。
    • 15.8.A.2.iii ベータマイナス崩壊とは、中性子が電子と反ニュートリノを放出して陽子に変化することである。
    • 15.8.A.2.iv ベータプラス崩壊とは、陽子がポジトロンとニュートリノを放出して中性子に変化することである。
    • 15.8.A.2.v ガマ崩壊とは、原子核がアルファ崩壊またはベータ崩壊を経た後に、励起状態から低いエネルギー状態へ遷移する際に光子を放出して崩壊することである。
  • 15.8.A.3 特定の原子核が示す崩壊の種類は、その元素の同位体によって決定される。

範囲の記述: AP Physics 2では、学生が特定の同位体の崩壊過程や半減期を暗記することを期待していない。中性子放出と電子捕獲はAP Physics 2のカリキュラムフレームワークには含まれていない。また、ニュートリノの種類、ニュートリノと反ニュートリノを区別する特性、および弱い力の説明や適用も本コースの範囲外である。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English
Radioactive decay & half-life

Unstable nuclei undergo radioactive decay 放射性衰变, emitting:

  • Alpha decay 阿尔法衰变 ($\alpha$): a helium nucleus – mass number drops by 4.
  • Beta decay 贝塔衰变 ($\beta$) comes in two kinds. In beta-minus ($\beta^-$) a neutron becomes a proton, emitting an electron and an antineutrino 反中微子: $n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$. In beta-plus ($\beta^+$) a proton becomes a neutron, emitting a positron 正电子 and a neutrino 中微子: $p\rightarrow n+e^++\nu$.
  • Gamma decay 伽马衰变 ($\gamma$): a high-energy photon – the nucleus sheds excess energy.

The neutrino and antineutrino (symbols $\nu$, $\bar{\nu}$) are tiny, chargeless, almost-massless particles that carry off energy and keep beta decay balanced. Decay is random, but a sample halves every half-life 半衰期: after each half-life, half of the remaining nuclei have decayed. Every decay equation conserves three quantities: nucleon number (mass number), charge, and lepton number 轻子数 – an electron or neutrino counts as $+1$ lepton, a positron or antineutrino as $-1$, and the totals must match on both sides.

Worked example. A radioactive sample has a half-life of $8.0$ days. What fraction is left after $24$ days? That is $24/8.0=3$ half-lives, so the fraction remaining is $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ – about $12.5\%$. In an alpha decay of uranium-238 ($^{238}_{\ 92}\text{U}$), the daughter has mass number $238-4=234$ and atomic number $92-2=90$: thorium-234.

日本語
放射性崩壊と半減期

不安定な原子核は放射性崩壊を起こし、以下のものを放出します:

アルファ線、ベータ線、ガンマ線の透過力
アルファ線、ベータ線、ガンマ線の透過力
  • アルファ崩壊 ($\alpha$):ヘリウム原子核が放出され、質量数は4減ります。
  • ベータ崩壊 ($\beta$) は2種類あります。ベータマイナス崩壊 ($\beta^-$) では中性子が陽子に変化し、電子と反ニュートリノを放出します:$n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$。ベータプラス崩壊 ($\beta^+$) では陽子が中性子に変化し、陽電子とニュートリノを放出します:$p\rightarrow n+e^++\nu$。
  • ガンマ崩壊 ($\gamma$) :高エネルギー光子が放出され、原子核は余分なエネルギーを失います。

ニュートリノと反ニュートリノ(記号 $\nu$, $\bar{\nu}$)は非常に小さく、電荷がなく、ほぼ質量のない粒子で、エネルギーを運び、ベータ崩壊のバランスを保ちます。崩壊はランダムですが、サンプルの量は半減期ごとに半分になります。各半減期ごとに残っている原子核の半分が崩壊します。すべての崩壊方程式において、3つの量が保存されます:核子数(質量数)、電荷、およびレプトン数です。電子やニュートリノは $+1$ レプトンとしてカウントされ、陽電子や反ニュートリノは $-1$ レプトンとしてカウントされ、両辺の総和が一致する必要があります。

演習例。 ある放射性サンプルの半減期が $8.0$ 日です。$24$ 日後に残っている割合はいくつですか? これは $24/8.0=3$ 回の半減期にあたるため、残存割合は $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ —— およそ $12.5\%$ です。ウラン-238 ($^{238}_{\ 92}\text{U}$) のアルファ崩壊において、娘核の質量数は $238-4=234$ 、原子番号は $92-2=90$ となり、トリアム-234 となります。

Explore · ⁨探索⁩

Watch a sample decay · ⁨試料の崩壊を観測する⁩

Radioactive nuclei decay randomly with a fixed half-life: each half-life halves the number remaining. Step forward and watch the sample shrink. · ⁨放射性核種は一定の半減期でランダムに崩壊し、各半減期ごとに残存数が半分になる。ステップを進めて試料が縮小する様子を見よ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
radioactive decay/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv dɪˈkeɪ/ 放射性崩壊
Alpha decay/ˈælfə dɪˈkeɪ/ アルファ崩壊
Beta decay/ˈbiːtə dɪˈkeɪ/ ベータ崩壊
antineutrino/ˌæntɪnjuːˈtriːnəʊ/ 反ニュートリノ
positron/ˈpɒzɪtrɒn/ 陽電子
neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ ニュートリノ
Gamma decay/ˈɡæmə dɪˈkeɪ/ ガンマ崩壊
half-life/hɑːf laɪf/ 半減期
lepton number/ˈleptɒn ˈnʌmbə/ ルプトン数
15.8

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Photon energy is $E=hf$; below the threshold frequency no electrons are emitted however bright the light (the photoelectric effect).
  • Use $K_{\max}=hf-\phi$ for the fastest photoelectrons ($\phi$ = work function).
  • Electrons jump between discrete energy levels by absorbing/emitting a photon whose energy equals the level gap — the source of line spectra.
  • In fission and fusion the small mass lost becomes energy via $E=mc^2$.
  • Balance decay equations by conserving mass number, charge, and lepton number (write the antineutrino in $\beta^-$, the neutrino in $\beta^+$), and halve the sample every half-life ($(\tfrac12)^n$ after $n$ half-lives).
日本語
  • 光子エネルギーは $E=hf$ であり、閾値周波数以下であれば、光がいくら明るくても電子は放出されません(光電効果)。
  • 最も速い光電子には $K_{\max}=hf-\phi$ を使用します($\phi$ = 仕事関数)。
  • 電子は離散的なエネルギー準位間で遷移し、準位間のギャップに等しいエネルギーを持つ光子を吸収・放出することで、これが明線スペクトルの原因となります。
  • 核分裂と核融合では、少量の質量損失が $E=mc^2$ を通じてエネルギーに変換されます。
  • 質量数、電荷、レプトン数を保存して平衡方程式を解く(反ニュートリノは$\beta^-$、ニュートリノは$\beta^+$として表記)、サンプルの量は半減期ごとに半分になる($(\tfrac12)^n$が$n$回経過した後)。

Interactive lessons on this topic · ⁨このトピックのインタラクティブ授業⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨一歩ずつ進め、即時チェック付きの問題で学習します。⁩

Past Papers · ⁨過去問⁩

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