Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Modern Physics · ⁨Vật lý hiện đại⁩

AP Physics 2 · ⁨AP Vật lý 2⁩ · Topic 15 · ⁨Chủ đề 15⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
9:32

Vật lý hiện đại

Đến năm 1900, vật lý看上去完完了. Sau đó ba thí nghiệm đã phá vỡ nó. Một vật nóng phát ra màu sắc sai. Ánh sáng rơi vào kim loại…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

15.1

Quantum Theory and Wave-Particle Duality · ⁨Lý thuyết Lượng tử và Tính chất Sóng-Hạt⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.1.A: Mô tả các tính chất và hành vi của một vật thể vừa thể hiện hành vi giống hạt vừa giống sóng.

  • 15.1.A.1 Lý thuyết lượng tử được phát triển để giải thích các quan sát về vật chất và năng lượng mà cơ học cổ điển không thể giải thích được. Các hiện tượng này bao gồm, nhưng không giới hạn ở, quang phổ nguyên tử, bức xạ vật đen và hiệu ứng quang điện.
    • 15.1.A.1.i Lý thuyết lượng tử là cần thiết để mô tả các tính chất của vật chất ở quy mô nguyên tử và hạ nguyên tử.
    • 15.1.A.1.ii Trong lý thuyết lượng tử, các hạt cơ bản có thể thể hiện cả hành vi giống hạt lẫn giống sóng.
  • 15.1.A.2 Ánh sáng có thể được mô hình hóa vừa là sóng vừa là các hạt rời rạc, gọi là photon.
    • 15.1.A.2.i Photon là một hạt không khối lượng, trung hòa về điện với năng lượng tỷ lệ thuận với tần số của photon.
      • Các phương trình liên quan:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
    • 15.1.A.2.ii Photon truyền theo đường thẳng trừ khi chúng tương tác với vật chất.
  • 15.1.A.3 Tốc độ của photon phụ thuộc vào môi trường mà photon truyền qua.
    • 15.1.A.3.i Tốc độ của tất cả các photon trong không gian tự do bằng tốc độ ánh sáng, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
    • 15.1.A.3.ii Nói chung, tốc độ của photon qua một môi trường xác định tỉ lệ nghịch với chỉ số khúc xạ của môi trường đó.
  • 15.1.A.4 Các hạt có thể thể hiện các tính chất sóng, như được minh họa bởi các biến thể của thí nghiệm khe đôi Young.
    • 15.1.A.4.i Mô hình sóng của vật chất được định lượng hóa bởi bước sóng de Broglie, giá trị này tăng lên khi động lượng của hạt giảm.
      • Phương trình liên quan:
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
    • 15.1.A.4.ii Lý thuyết lượng tử là cần thiết để mô tả các hệ thống mà ở đó bước sóng de Broglie tương đương với kích thước của hệ thống.
  • 15.1.A.5 Giá trị của năng lượng và động lượng có các giá trị rời rạc, hay lượng tử hóa, cho các hệ bị ràng buộc được mô tả bởi lý thuyết lượng tử.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt
Buồng mây: vật lý hiện đại theo dõi các hạt mang điện từ quá trình phân rã phóng xạ
Buồng mây: vật lý hiện đại theo dõi các hạt mang điện từ quá trình phân rã phóng xạ

Ở quy mô vi mô, năng lượng xuất hiện dưới dạng các gói rời rạc gọi là lượng tử. Ánh sáng được truyền tải bởi các photon, mỗi photon có năng lượng xác định bởi tần số của nó:

$$E=hf,$$
trong đó $h$ là hằng số Planck. Tính lưỡng tính sóng-hạt: cả ánh sáng và vật chất đều thể hiện cả hành vi sóng (giao thoa, nhiễu xạ) và hành vi hạt (photon, electron như những va chạm cục bộ). Một hạt cũng có bước sóng vật chất $\lambda=\dfrac{h}{p}$, và các hạt thực sự tạo ra giao thoa — một biến thể của thí nghiệm khe đôi Young thực hiện bằng electron sẽ tích lũy cùng một mẫu vân giao thoa như ánh sáng.

Electron tạo ra mẫu nhiễu xạ, chứng minh rằng hạt có bản chất sóng
Electron tạo ra mẫu nhiễu xạ, chứng minh rằng hạt có bản chất sóng

Ví dụ giải. Tìm năng lượng của một photon ánh sáng màu cam có tần số $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ ($h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$): $E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$, xấp xỉ $2.1\ \text{eV}$ (chia cho $1.6\times10^{-19}$). Các photon ánh sáng nhìn thấy mang vài electronvolt — đúng mức để kích hoạt hóa học của thị giác và quang hợp.

15.2

The Bohr Model of Atomic Structure · ⁨Mô hình Bohr về Cấu trúc Nguyên tử⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.2.A: Mô tả các tính chất của một nguyên tử.

  • 15.2.A.1 Nguyên tử có cấu trúc bên trong.
    • 15.2.A.1.i Nguyên tử bao gồm một nhân nhỏ mang điện tích dương được bao quanh bởi một hoặc nhiều electron mang điện tích âm.
    • 15.2.A.1.ii Nhân của nguyên tử được cấu tạo từ proton và neutron.
    • 15.2.A.1.iii Số lượng neutron và proton trong một nguyên tử có thể được biểu diễn bằng ký hiệu hạt nhân.
    • 15.2.A.1.iv Ion là một nguyên tử có điện tích tổng hợp khác không.
  • 15.2.A.2 Mỗi nguyên tố hóa học có một số lượng proton riêng biệt.
    • 15.2.A.2.i Số lượng và cách sắp xếp của electron ảnh hưởng đến cách các nguyên tử tương tác.
    • 15.2.A.2.ii Tổng số neutron và proton xác định đồng vị của một nguyên tố.
    • 15.2.A.2.iii Khối lượng của một nguyên tử chủ yếu do tổng khối lượng của các proton và neutron trong hạt nhân quyết định.
  • 15.2.A.3 Mô hình Bohr của nguyên tử dựa trên vật lý cổ điển và là mô hình lịch sử dẫn đến việc mô tả nguyên tử hydro theo các trạng thái năng lượng rời rạc.
    • 15.2.A.3.i Trong mô hình Bohr, electron được mô hình hóa như chuyển động quanh hạt nhân trên các quỹ đạo tròn được xác định bởi điện tích và khối lượng của electron, cũng như lực tĩnh điện giữa electron và hạt nhân.
      • Các phương trình liên quan:
      • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
      • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
    • 15.2.A.3.ii Mô hình sóng dừng của electron giải thích sự tồn tại của các mức năng lượng cho phép cụ thể, vì chu vi quỹ đạo phải là bội số nguyên của bước sóng de Broglie của electron.

Khung giới hạn: Việc phân tích và mô tả cấu trúc electron chỉ giới hạn ở các mức năng lượng và không bao gồm các mô tả nâng cao như orbital, hình dạng orbital hay hàm xác suất.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt

Mô hình Bohr mô tả các electron chỉ quay quanh hạt nhân ở những mức năng lượng cho phép nhất định. Một electron chỉ có thể chuyển giữa các mức này bằng cách hấp thụ hoặc phát ra một photon có năng lượng khớp chính xác với độ chênh lệch:

$$E_{\text{photon}}=|E_{\text{final}}-E_{\text{initial}}|.$$
Vì các mức năng lượng là rời rạc, chỉ những năng lượng photon cụ thể nào đó mới được phép tồn tại.

15.3

Emission and Absorption Spectra · ⁨Qu phổ phát xạ và hấp thụ⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.3.A: Mô tả sự phát xạ hoặc hấp thụ photon bởi các nguyên tử.

  • 15.3.A.1 Sự truyền năng lượng xảy ra khi photon được hấp thụ hoặc phát ra bởi một nguyên tử, được mô hình hóa như một hệ gồm hạt nhân và electron.
  • 15.3.A.2 Năng lượng chỉ có thể được hấp thụ hoặc phát ra bởi một nguyên tử nếu lượng năng lượng đó tương ứng với hiệu năng lượng giữa hai trạng thái năng lượng nguyên tử.
    • 15.3.A.2.i Một nguyên tử ở một trạng thái năng lượng nhất định có thể hấp thụ một photon có năng lượng phù hợp và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn.
    • 15.3.A.2.ii Một nguyên tử ở trạng thái kích thích có thể phát ra một photon có năng lượng phù hợp để tự phát chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn.
    • 15.3.A.2.iii Vì nguyên tử được mô hình hóa là hệ gồm electron và hạt nhân, nên sự thay đổi trạng thái năng lượng của nguyên tử tương ứng với sự thay đổi năng lượng tương tác giữa electron và hạt nhân.
  • 15.3.A.3 Các chuyển tiếp giữa hai trạng thái năng lượng của nguyên tử tương ứng với việc hấp thụ hoặc phát ra một photon có tần số duy nhất và, do đó, là bước sóng duy nhất.
  • 15.3.A.4 Mỗi nguyên tố có một tập hợp các mức năng lượng cho phép riêng biệt, và từ đó có một tập hợp tần số hấp thụ và phát xạ riêng biệt. Tập hợp tần số đặc trưng này xác định quang phổ của nguyên tố đó.
    • 15.3.A.4.i Quang phổ phát xạ có thể được sử dụng để xác định các nguyên tố có trong nguồn sáng.
    • 15.3.A.4.ii Quang phổ hấp thụ có thể được sử dụng để xác định các nguyên tố cấu thành chất bằng cách quan sát ánh sáng mà chất đó đã hấp thụ.
    • 15.3.A.4.iii Sơ đồ mức năng lượng thường được sử dụng để biểu diễn trực quan các trạng thái năng lượng của nguyên tử.
  • 15.3.A.5 Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để loại bỏ một electron khỏi nguyên tử, khiến nguyên tử trở thành ion. Nguyên tử ở mức năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản) sẽ cần lượng năng lượng lớn nhất để loại bỏ electron khỏi nguyên tử.

Khung giới hạn: Trong AP Physics 2, chỉ xem xét sơ đồ mức năng lượng của các nguyên tử đơn electron.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt
  • Qu phổ phát xạ là tập hợp các vạch sáng được tạo ra khi các electron rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn – mỗi vạch ứng với một bước sóng cụ thể.
  • Qu phổ hấp thụ là tập hợp các vạch tối nơi những bước sóng đó bị hấp thụ từ một nguồn liên tục.
Các mức năng lượng rời rạc của hydro tạo ra qu phổ
Các mức năng lượng rời rạc của hydro tạo ra qu phổ

Mẫu qu này giống như một dấu vân tay của nguyên tố, vì mỗi nguyên tố đều có các mức năng lượng riêng biệt.

Bốn vạch phát xạ nhìn thấy của hydro trên nền đen
Qu phổ phát xạ của hydro: mỗi vạch sáng là ánh sáng do electron chuyển động giữa các mức năng lượng cố định
Explore · ⁨Khám phá⁩

See an element's line spectrum · ⁨Xem quang phổ vạch của một nguyên tố⁩

Electrons jump between fixed energy levels, emitting or absorbing photons of exact wavelengths — a line spectrum that fingerprints the element. · ⁨Electron nhảy giữa các mức năng lượng xác định, phát ra hoặc hấp thụ photon có bước sóng chính xác — một quang phổ vạch là dấu vân tay của nguyên tố đó.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
quanta/ˈkwɒntə/ lượng tử
photons/ˈfəʊtɒnz/ photon
Wave–particle duality/weɪv ˈpɑːtɪkl djuːˈælɪti/ Lưỡng tính sóng–hạt
double-slit experiment/ˈdʌbl slɪt ekˈsperɪmənt/ Thí nghiệm khe đôi
Bohr model/ˈbəʊə ˈmɒdl/ mô hình Bohr
energy levels/ˈenədʒi ˈlevlz/ các mức năng lượng
emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ quang phổ phát xạ
absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ qu phổ hấp thụ
15.4

Blackbody Radiation · ⁨Bức xạ vật đen⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 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:
      • $P = A\sigma T^4$
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.4.A: Mô tả bức xạ điện từ phát ra bởi vật thể do nhiệt độ của nó.

  • 15.4.A.1 Vật chất sẽ tự phát chuyển hóa một phần nội năng nhiệt của nó thành năng lượng điện từ.
  • 15.4.A.2 Vật đen là mô hình lý tưởng hóa của vật chất hấp thụ toàn bộ bức xạ chiếu lên nó. Nếu vật nằm trong cân bằng ở nhiệt độ không đổi, thì nó phải phát ra năng lượng.
  • 15.4.A.3 Vật đen sẽ phát ra quang phổ liên tục chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Bức xạ phát ra từ vật đen thường được mô hình hóa bằng cách biểu diễn cường độ trên đơn vị bước sóng theo hàm của bước sóng.
    • 15.4.A.3.i Phân bố cường độ quang phổ vật đen theo nhiệt độ không thể mô hình hóa chỉ bằng các khái niệm vật lý cổ điển. Quang phổ vật đen được mô tả bởi định luật Planck, giả định rằng năng lượng ánh sáng là lượng tử hóa.
    • 15.4.A.3.ii Bước sóng cực đại phát ra bởi vật đen (bước sóng mà tại đó vật đen phát ra lượng bức xạ lớn nhất trên đơn vị bước sóng) giảm đi khi nhiệt độ tăng, như được mô tả bởi định luật Wien.
      • Phương trình liên quan:
      • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
    • 15.4.A.3.iii Tốc độ phát năng lượng (công suất) của vật đen tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của vật và bình phương bậc bốn nhiệt độ của vật, như được mô tả bởi định luật Stefan-Boltzmann.
      • Phương trình liên quan:
      • $P = A\sigma T^4$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt

Một vật đen phát ra qu phổ liên tục phụ thuộc duy nhất vào nhiệt độ của nó. Các vật nóng hơn phát sáng mạnh hơn và đạt cực đại ở bước sóng ngắn hơn (từ đỏ nóng đến trắng nóng đến xanh nóng). Giải thích qu phổ này đòi hỏi năng lượng lượng tử hóa – một vấn đề nền tảng của cơ học lượng tử.

Một vật đen nóng hơn bức xạ nhiều hơn, và cực đại dịch về bước sóng ngắn hơn
Một vật đen nóng hơn bức xạ nhiều hơn, và cực đại dịch về phía bước sóng ngắn hơn
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
blackbody/ˈblækbɒdi/ vật đen
photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ hiệu ứng quang điện
work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ hàm công
Compton scattering/ˈkɒmptn ˈskætərɪŋ/ Tán xạ Compton
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ nhân
Fission/ˈfɪʃn/ Phân hạch
Fusion/ˈfjuːʒn/ Tổng hợp
15.5

The Photoelectric Effect · ⁨Hiệu ứng quang điện⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.5.A: Mô tả tương tác giữa photon và vật chất thông qua hiệu ứng quang điện.

  • 15.5.A.1 Hiệu ứng quang điện là sự phát xạ electron khi bức xạ điện từ chiếu vào vật liệu hoạt động quang điện.
  • 15.5.A.2 Sự phát xạ electron qua hiệu ứng quang điện yêu cầu tần số tối thiểu của ánh sáng tới, gọi là tần số ngưỡng.
    • 15.5.A.2.i Ánh sáng chiếu vào vật liệu có tần số bằng hoặc cao hơn tần số ngưỡng sẽ gây ra sự phát xạ electron, bất kể số lượng photon va chạm vào vật liệu.
    • 15.5.A.2.ii Năng lượng của các electron phát ra không phụ thuộc vào số lượng photon chiếu vào vật liệu, điều này chứng minh rằng ánh sáng là tập hợp các gói năng lượng rời rạc, lượng tử hóa gọi là photon.
  • 15.5.A.3 Động năng cực đại của electron phát ra liên quan đến tần số của ánh sáng tới và công thoát của vật liệu, $\phi$.
    • 15.5.A.3.i Công thoát của một vật liệu là mức năng lượng tối thiểu cần thiết để phát ra một electron từ các nguyên tử trong vật liệu đó.
    • 15.5.A.3.ii Động năng cực đại của electron phát ra được xác định bởi phương trình $K_{\max} = hf - \phi$.
    • 15.5.A.3.iii Trong một thiết lập thực nghiệm điển hình để minh họa hiệu ứng quang điện và xác định công thoát của kim loại, hai tấm kim loại được đặt trong buồng chân không và nối với nguồn biến thiên hiệu điện thế. Một trong hai tấm được chiếu bằng ánh sáng đơn sắc gây ra sự phóng thích electron và hiệu điện thế giữa hai tấm được điều chỉnh cho đến khi không còn dòng điện nào được đo trong mạch.

Tuyên bố giới hạn: Khi áp dụng, công thoát của các vật liệu sẽ được cung cấp trong đề thi; học sinh không cần nhớ giá trị công thoát hay các thông số của vật liệu ảnh hưởng đến độ lớn của nó.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt
Hiệu ứng quang điện

Chiếu ánh sáng lên kim loại có thể bứt ra electron – hiệu ứng quang điện. Những sự thật then chốt (chỉ mô hình photon giải thích được): electron chỉ bứt ra nếu tần số của photon vượt qua ngưỡng giới hạn, bất kể nguồn sáng yếu hơn nhưng có tần số thấp hơn sáng thế nào. Bảo toàn năng lượng mang lại

$$K_{\max}=hf-\phi,$$
trong đó $\phi$ là công thoát của kim loại (năng lượng cần thiết để giải phóng một electron).

Động năng tối đa của các electron quang điện tăng tuyến tính theo tần số
Động năng cực đại của electron quang điện tăng tuyến tính theo tần số

Ví dụ minh họa. Ánh sáng có tần số $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ chiếu lên một kim loại có công thoát $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$. Những electron có năng lượng lớn nhất sẽ bứt ra với

$$K_{\max}=hf-\phi=(6.63\times10^{-34}\times8.0\times10^{14})-3.0\times10^{-19}=5.3\times10^{-19}-3.0\times10^{-19}=2.3\times10^{-19}\ \text{J}.$$
Dưới ngưỡng tần số $\phi/h$, $K_{\max}$ sẽ âm – nghĩa là không có electron nào bứt ra cả, dù ánh sáng có sáng đến đâu.

15.6

Compton Scattering · ⁨Tán xạ Compton⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.6.A: Mô tả tương tác giữa photon và vật chất thông qua hiện tượng tán xạ Compton.

  • 15.6.A.1 Trong tán xạ Compton, một photon tương tác với một electron tự do. Hiệu ứng Compton xảy ra khi photon bay ra sau tương tác có năng lượng thấp hơn và bước sóng dài hơn so với photon tới. Độ lớn của sự thay đổi này liên quan đến hướng di chuyển của photon sau va chạm.
  • 15.6.A.2 Tán xạ Compton cung cấp bằng chứng cho thấy ánh sáng là một tập hợp các gói năng lượng rời rạc, lượng tử hóa gọi là photon.
    • 15.6.A.2.i Tán xạ Compton có thể được giải thích bằng cách coi photon như một hạt và áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cùng định luật bảo toàn động lượng cho va chạm giữa photon và electron.
    • 15.6.A.2.ii Sự truyền năng lượng từ photon sang electron làm thay đổi năng lượng, động lượng, tần số và bước sóng của photon.
      • Các phương trình liên quan:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.6.A.3 Sự thay đổi bước sóng mà photon trải qua sau khi va chạm với electron liên quan đến mức độ thay đổi hướng di chuyển của photon.
    • Phương trình liên quan:
    • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

Tuyên bố giới hạn: AP Physics 2 bao gồm cả xử lý định lượng và định tính đầy đủ về định luật bảo toàn động lượng trong hai chiều.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt

Trong tán xạ Compton, một photon va chạm với một electron giống như hai hạt vật chất, truyền một phần năng lượng và động lượng. Photon tán xạ đi ra với năng lượng thấp hơn (bước sóng dài hơn). Đây là bằng chứng trực tiếp cho thấy photon mang động lượng và hành xử như các hạt.

15.7

Fission, Fusion, and Nuclear Decay · ⁨Phân hạch, tổng hợp và phân rã hạt nhân⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.7.A: Mô tả các tính chất vật lý ràng buộc hành vi của các hạt nhân tương tác, hạt hạ nguyên tử và nucleon.

  • 15.7.A.1 Lực mạnh tác động ở quy mô hạt nhân và chi phối các tương tác giữa các nucleon (proton hoặc neutron).
  • 15.7.A.2 Các phản ứng hạt nhân khả dĩ bị ràng buộc bởi định luật bảo toàn số nucleon.
  • 15.7.A.3 Hành vi của các thành phần tham gia phản ứng hạt nhân bị ràng buộc bởi các định luật bảo toàn năng lượng, tương đương năng-lượng khối và bảo toàn động lượng.
  • 15.7.A.4 Đối với mọi phản ứng hạt nhân, khối lượng và năng lượng có thể trao đổi nhau do tương đương năng-lượng khối.
    • Phương trình liên quan:
    • $E = mc^2$
  • 15.7.A.5 Năng lượng có thể được giải phóng trong các quá trình hạt nhân dưới dạng động năng của sản phẩm hoặc dưới dạng photon.
  • 15.7.A.6 Tổng hợp hạt nhân là quá trình hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ kết hợp lại tạo thành một hạt nhân lớn hơn, cũng như các hạt hạ nguyên tử.
  • 15.7.A.7 Phân hạch hạt nhân là quá trình hạt nhân của một nguyên tử tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, cũng như các hạt hạ nguyên tử.
  • 15.7.A.8 Phân hạch hạt nhân có thể xảy ra tự phát hoặc đòi hỏi cung cấp năng lượng, tùy thuộc vào năng lượng liên kết của hạt nhân.

Mục tiêu học tập 15.7.B: Mô tả sự phân rã phóng xạ của một mẫu vật nhất định bao gồm một số lượng hữu hạn các hạt nhân.

  • 15.7.B.1 Phân rã phóng xạ là sự biến đổi tự phát của một hạt nhân thành một hoặc nhiều hạt nhân khác.
    • 15.7.B.1.i Thời điểm một hạt nhân riêng lẻ trải qua phân rã phóng xạ là không thể xác định trước, nhưng tốc độ phân rã có thể được mô tả bằng xác suất.
    • 15.7.B.1.ii Bán đời, $t_{1/2}$, của một vật liệu phóng xạ là khoảng thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân phóng xạ ban đầu phân rã tự phát.
    • 15.7.B.1.iii Hằng số phân rã $\lambda$ có thể liên hệ với bán đời của vật liệu phóng xạ thông qua phương trình $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$.
  • 15.7.B.2 Hằng số phân rã của một vật liệu có thể được sử dụng để dự đoán số hạt nhân còn lại trong mẫu sau một khoảng thời gian, hoặc xác định tuổi của vật liệu nếu biết lượng vật liệu ban đầu.
    • Phương trình liên quan:
    • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
    • *Phương trình suy ra:
    • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
  • 15.7.B.3 Các nguyên tố và đồng vị không ổn định khác nhau có thể có bán đời rất khác nhau, dao động từ phân đoạn giây đến hàng tỷ năm.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt

Hạt nhân chứa trữ năng lượng khổng lồ. Phân hạch tách một hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng năng lượng (lò phản ứng hạt nhân, bom nguyên tử). Tổng hợp kết hợp các hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn (nguồn năng lượng của Mặt Trời). Cả hai đều giải phóng năng lượng vì các sản phẩm có khối lượng nhỏ hơn một chút, được chuyển đổi qua $E=mc^2$.

Năng lượng liên kết trên mỗi nucleon đạt cực đại gần sắt, nên cả phân hạch và tổng hợp hạt nhân đều có thể giải phóng năng lượng
Năng lượng liên kết trên mỗi nucleon đạt cực đại gần sắt, nên cả tổng hợp và phân hạch đều có thể giải phóng năng lượng

Ví dụ minh họa. Ngay cả một khối lượng nhỏ cũng chuyển đổi thành năng lượng khổng lồ. Nếu một phản ứng hạt nhân mất đi $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$ khối lượng, nó sẽ giải phóng $E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ – khoảng bằng năng lượng của $20\,000$ tấn TNT.

Nhà máy điện hạt nhân: sự phân hạch của hạt nhân nặng giải phóng năng lượng để vận hành nhà máy
Nhà máy điện hạt nhân: phân hạch các hạt nhân nặng giải phóng năng lượng làm vận hành nhà máy
Explore · ⁨Khám phá⁩

Balance a nuclear decay equation · ⁨Cân bằng phương trình phân rã hạt nhân⁩

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. · ⁨Trong phân rã alpha, beta và gamma, số nucleon và điện tích phải được bảo toàn. Chọn một chế độ và xem hạt nhân mẹ biến thành hạt nhân con như thế nào.⁩

15.8

Types of Radioactive Decay · ⁨Các loại phân rã phóng xạ⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 15.8.A: Mô tả các quá trình mà qua đó các hạt nhân riêng lẻ phân rã.

  • 15.8.A.1 Một số quá trình phân rã hạt nhân phát ra các hạt hạ nguyên tử có những tính chất đặc trưng riêng biệt.
    • 15.8.A.1.i Hạt alpha, hay hạt nhân heli, gồm hai neutron và hai proton, được ký hiệu là $\alpha$ hoặc $\text{He}^{2+}$. (Trong Vật lý 2, chỉ xét các hạt nhân He-4.)
    • 15.8.A.1.ii Neutrino và antineutrino là các hạt hạ nguyên tử không mang điện tích, có khối lượng không đáng kể, và được ký hiệu lần lượt là $\nu$ và $\bar{\nu}$.
    • 15.8.A.1.iii Neutrino và antineutrino chỉ tương tác với vật chất thông qua lực yếu và lực hấp dẫn, dẫn đến việc tương tác rất ít với vật chất thông thường.
    • 15.8.A.1.iv Positron, hay electron đối, là các hạt hạ nguyên tử mang điện tích trái ngược với electron, có khối lượng bằng electron, và được ký hiệu là $e^+$ hoặc $\beta^+$.
  • 15.8.A.2 Hạt nhân có thể trải qua sự phân rã phóng xạ thông qua phân rã alpha, phân rã beta-trừ ($\beta^-$), phân rã beta-dương ($\beta^+$) và phân rã gamma ($\gamma$).
    • 15.8.A.2.i Trong tất cả các quá trình phân rã hạt nhân, số nucleon (số neutron và proton), số lepton (số electron và neutrino) và điện tích đều được bảo toàn.
    • 15.8.A.2.ii Phân rã alpha xảy ra khi một hạt nhân phóng ra một hạt alpha.
    • 15.8.A.2.iii Phân rã beta-trừ xảy ra khi một neutron chuyển thành proton bằng cách phát ra một electron và antineutrino.
    • 15.8.A.2.iv Phân rã beta-trên xảy ra khi một proton chuyển thành neutron bằng cách phát ra một positron và neutrino.
    • 15.8.A.2.v Phân rã gamma xảy ra sau khi một hạt nhân đã trải qua phân rã alpha hoặc beta, và hạt nhân ở trạng thái kích thích suy biến về trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra một photon.
  • 15.8.A.3 Loại phân rã mà một hạt nhân cụ thể biểu hiện được xác định bởi đồng vị của nguyên tố đó.

Tuyên bố giới hạn: AP Physics 2 không yêu cầu học sinh phải ghi nhớ các quá trình phân rã của các đồng vị cụ thể hay chu kỳ bán rã của chúng. Sự phát xạ neutron và bắt giữ electron không nằm trong khung chương trình AP Physics 2. Ngoài ra, các loại neutrino, các đặc điểm phân biệt giữa neutrino và phản neutrino, cũng như giải thích hoặc ứng dụng của lực yếu không thuộc phạm vi của khóa học này.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

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.

Tiếng Việt
Phân rã phóng xạ & thời gian bán rã

Các hạt nhân không bền ổn thực hiện phân rã phóng xạ, phát ra:

Khả năng xuyên thấu của bức xạ alpha, beta và gamma
Khả năng xuyên thấu của bức xạ alpha, beta và gamma
  • Phân rã alpha ($\alpha$): một hạt nhân heli – số khối giảm đi 4 đơn vị.
  • Phân rã beta ($\beta$) xuất hiện dưới hai dạng. Trong beta trừ ($\beta^-$), một neutron trở thành proton, phát ra một electron và một antineutrino: $n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$. Trong beta cộng ($\beta^+$), một proton trở thành neutron, phát ra một positron và một neutrino: $p\rightarrow n+e^++\nu$.
  • Phân rã gamma ($\gamma$): một photon năng lượng cao – hạt nhân_COLUMNS bỏ bớt năng lượng dư thừa.

Neutrino và antineutrino (ký hiệu $\nu$, $\bar{\nu}$) là những hạt rất nhỏ, trung hòa về điện tích, gần như không có khối lượng, mang theo năng lượng và giữ cho quá trình phân rã beta cân bằng. Phân rã là ngẫu nhiên, nhưng một mẫu vật sẽ bị chia đôi sau mỗi thời gian bán rã: sau mỗi thời gian bán rã, một nửa số hạt nhân còn lại đã phân rã. Mọi phương trình phân rã đều bảo toàn ba đại lượng: số nucleon (số khối), điện tích và số lepton – một electron hoặc neutrino tính là $+1$ lepton, một positron hoặc antineutrino tính là $-1$, và tổng số phải cân bằng ở cả hai vế.

Ví dụ minh họa. Một mẫu phóng xạ có thời gian bán rã là $8.0$ ngày. Tỷ lệ còn lại sau $24$ ngày là bao nhiêu? Đó là $24/8.0=3$ lần thời gian bán rã, nên tỷ lệ còn lại là $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ – xấp xỉ $12.5\%$. Trong một quá trình phân rã alpha của uranium-238 ($^{238}_{\ 92}\text{U}$), hạt con có số khối là $238-4=234$ và số hiệu nguyên tử là $92-2=90$: thorium-234.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Watch a sample decay · ⁨Quan sát quá trình phân rã của mẫu vật⁩

Radioactive nuclei decay randomly with a fixed half-life: each half-life halves the number remaining. Step forward and watch the sample shrink. · ⁨Hạt nhân phóng xạ phân rã ngẫu nhiên với bán đời sống cố định: mỗi lần bán đời sống, số hạt còn lại giảm đi một nửa. Bước tới và quan sát mẫu vật thu nhỏ dần.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
radioactive decay/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv dɪˈkeɪ/ phân rã phóng xạ
Alpha decay/ˈælfə dɪˈkeɪ/ Phân rã alpha
Beta decay/ˈbiːtə dɪˈkeɪ/ Phân rã beta
antineutrino/ˌæntɪnjuːˈtriːnəʊ/ antineutrino
positron/ˈpɒzɪtrɒn/ positron
neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ neutrino
Gamma decay/ˈɡæmə dɪˈkeɪ/ Phân rã gamma
half-life/hɑːf laɪf/ thời gian bán rã
lepton number/ˈleptɒn ˈnʌmbə/ Số lepton
15.8

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

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).
Tiếng Việt
  • Năng lượng photon là $E=hf$; dưới tần số ngưỡng thì không có electron nào bị bứt ra dù ánh sáng có sáng đến đâu (hiệu ứng quang điện).
  • Sử dụng $K_{\max}=hf-\phi$ cho các electron quang điện nhanh nhất ($\phi$ = công thoát).
  • Các electron chuyển động giữa các mức năng lượng rời rạc bằng cách hấp thụ/phát ra một photon có năng lượng bằng độ chênh lệch mức – nguồn gốc của qu phổ vạch.
  • Trong phân hạch và tổng hợp, phần khối lượng mất đi nhỏ bé chuyển hóa thành năng lượng thông qua $E=mc^2$.
  • Cân bằng phương trình phân rã bằng cách bảo toàn số khối, điện tích và số lepton (viết antineutrino trong $\beta^-$, neutrino trong $\beta^+$), và giảm một nửa mẫu vật sau mỗi thời gian bán rã ($(\tfrac12)^n$ sau $n$ thời gian bán rã).

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in AP Physics 2 · ⁨AP Vật lý 2⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong AP Physics 2 · ⁨AP Vật lý 2⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP