跳到主要内容

近代物理

AP 物理 2 · 知识点 15

本主题的视频课程 打开视频页面
9:32

现代物理

到一九零零年,物理学似乎已经大功告成。随后三项实验打破了这一局面。一个炽热的物体发出的颜色不对。光照射在金属上……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

15.1

量子理论与波粒二象性

教学大纲

学习目标 15.1.A: 描述同时表现出粒子特性和波动特性的物体的性质与行为。

  • 15.1.A.1 量子理论是为了解释经典力学无法解释的物质和能量观测现象而发展起来的。这些现象包括但不限于原子光谱、黑体辐射和光电效应。
    • 15.1.A.1.i 量子理论是描述原子和亚原子尺度下物质性质所必需的。
    • 15.1.A.1.ii 在量子理论中,基本粒子可以表现出粒子特性和波动特性。
  • 15.1.A.2 光既可以被建模为波,也可以被建模为称为光子的离散粒子。
    • 15.1.A.2.i 光子是一种无质量、电中性的粒子,其能量与光子的频率成正比。
      • 相关公式:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{c}{f}$
    • 15.1.A.2.ii 除非与物质发生相互作用,否则光子沿直线传播。
  • 15.1.A.3 光子的速度取决于光子穿过的介质。
    • 15.1.A.3.i 真空中所有光子的速度均等于光速,即 $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s。
    • 15.1.A.3.ii 一般来说,光子穿过特定介质的速度与介质的折射率成反比。
  • 15.1.A.4 粒子可以表现出波动特性,这一点由杨氏双缝实验的变体所证实。
    • 15.1.A.4.i 物质的波动模型由德布罗意波长量化,当粒子的动量减小时,德布罗意波长增加。
      • 相关公式:
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
    • 15.1.A.4.ii 当德布罗意波长与系统尺寸相当时,必须使用量子理论来描述该系统。
  • 15.1.A.5 对于由量子理论描述的束缚系统,其能量和动量的值具有离散的或量化的数值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
A cloud chamber: modern physics tracks charged particles from radioactive decays
A cloud chamber: modern physics tracks charged particles from radioactive decays

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.

Electrons form a diffraction pattern, showing that particles have a wave nature
Electrons form a diffraction pattern, showing that particles have a wave nature

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.

探索

波动性或粒子性的证据?

光同时表现出两种性质。按每个实验所证明的内容进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
quanta/ˈkwɒntə/ 量子 liàng zǐ
photons/ˈfəʊtɒnz/ 光子 guāng zǐ
Wave–particle duality/weɪv ˈpɑːtɪkl djuːˈælɪti/ 波粒二象性 bō lì èr xiàng xìng
double-slit experiment/ˈdʌbl slɪt ekˈsperɪmənt/ 双缝实验 shuāng fèng shí yàn
15.2

玻尔原子模型

教学大纲

学习目标 15.2.A: 描述原子的性质。

  • 15.2.A.1 原子具有内部结构。
    • 15.2.A.1.i 原子由一个带正电的小原子核和围绕其运动的一个或多个带负电的电子组成。
    • 15.2.A.1.ii 原子核由质子和中子组成。
    • 15.2.A.1.iii 原子中的中子数和质子数可以用核符号表示。
    • 15.2.A.1.iv 离子是净电荷不为零的原子。
  • 15.2.A.2 每种化学元素都有唯一确定的质子数。
    • 15.2.A.2.i 电子的数量和排布影响原子的相互作用方式。
    • 15.2.A.2.ii 中子和质子的总数用于确定元素的同位素。
    • 15.2.A.2.iii 原子的质量主要由其原子核内质子和中子的总质量决定。
  • 15.2.A.3 原子的玻尔模型基于经典物理学,是历史上对原子的一种描述,它导致了用离散能态来描述氢原子。
    • 15.2.A.3.i 在玻尔原子模型中,电子被建模为绕原子核做圆周运动,其轨道由电子的电荷、质量以及电子与原子核之间的电场力决定。
      • 相关公式:
      • $F_e = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
      • $F_{\text{net}} = m\dfrac{v^2}{r}$
    • 15.2.A.3.ii 电子的驻波模型解释了原子中电子特定允许能态的存在,因为电子轨道的周长必须是电子德布罗意波长的整数倍。

边界声明: 对电子结构的分析和描述仅限于能级,不包括轨道(orbitals)、轨道形状或概率函数等高级描述。

来源:College Board AP 课程与考试说明

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.

探索

跃迁产生谱线

选择两个能级,观察电子在这两者间跃迁所产生的谱线。

词汇 训练
English 中文 拼音
Bohr model/ˈbəʊə ˈmɒdl/ 玻尔模型 bō ěr mó xíng
energy levels/ˈenədʒi ˈlevlz/ 能级 néng jí
15.3

发射光谱与吸收光谱

教学大纲

学习目标 15.3.A: 描述原子对光子的发射或吸收。

  • 15.3.A.1 当原子(被建模为由原子核和电子组成的系统)吸收或发射光子时,会发生能量传递。
  • 15.3.A.2 只有当原子吸收或发射的能量量等于两个原子能级之间的能量差时,原子才能吸收或发射能量。
    • 15.3.A.2.i 处于给定能级的原子可以吸收适当能量的光子,并跃迁到更高的能级。
    • 15.3.A.2.ii 处于激发态的原子可以发射适当能量的光子,自发地跃迁到较低的能级。
    • 15.3.A.2.iii 由于原子被建模为由电子和原子核组成的系统,因此原子能级的变化对应于电子与原子核之间相互作用能的变化。
  • 15.3.A.3 原子在两个能级之间的跃迁对应于吸收或发射单一频率的光子,因此也对应于单一波长。
  • 15.3.A.4 每种元素的原子都有一组独特的允许能级,从而拥有一组独特的吸收和发射频率。这组独特的频率决定了该元素的光谱。
    • 15.3.A.4.i 发射光谱可用于确定光源中包含的元素。
    • 15.3.A.4.ii 通过观察物质吸收了哪些光,吸收光谱可用于确定组成该物质的元素。
    • 15.3.A.4.iii 能级图通常用于直观地表示原子的能级状态。
  • 15.3.A.5 结合能是指从原子中移除一个电子所需的能量,这一过程会导致原子电离。处于最低能级(基态)的原子需要最多的能量才能将电子移出原子。

边界说明: 在 AP 物理 2 中,仅考虑单电子原子的能级图。

来源:College Board AP 课程与考试说明

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 discrete energy levels of hydrogen produce a line spectrum
The discrete energy levels of hydrogen produce a line spectrum

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

The four visible emission lines of hydrogen on a black background
Hydrogen's emission spectrum: each bright line is light from an electron dropping between fixed energy levels
探索

观察元素的线状光谱

电子在固定的能级之间跃迁,发射或吸收具有特定波长的光子——形成该元素的特征线状光谱。

词汇 训练
English 中文 拼音
emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ 发射光谱 fā shè guāng pǔ
absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ 吸收光谱 xī shōu guāng pǔ
15.4

黑体辐射

教学大纲

学习目标 15.4.A: 描述物体因温度而发射的电磁辐射。

  • 15.4.A.1 物质会自发地将其部分内部热能转化为电磁能。
  • 15.4.A.2 黑体是一种理想化的物质模型,它吸收所有照射到其上的辐射。如果该物体处于恒定温度的热平衡状态,则它必然也会向外发射能量。
  • 15.4.A.3 黑体会发射出仅取决于其自身温度的连续光谱。黑体发射的辐射通常通过绘制单位波长强度随波长变化的函数曲线来进行建模。
    • 15.4.A.3.i 黑体光谱强度随温度变化的分布无法仅用经典物理概念来解释。黑体的光谱由普朗克定律(Planck's law)描述,该定律假设光的能量是量子化的。
    • 15.4.A.3.ii 黑体发射的峰值波长(即黑体在单位波长下发射辐射量最大的波长)随温度升高而减小,这由维恩位移定律(Wien's law)所描述。
      • 相关公式:
      • $\lambda_{\max} = \dfrac{b}{T}$
    • 15.4.A.3.iii 黑体发射能量的速率(功率)与物体的表面积成正比,并与物体温度的四次方成正比,这由斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)所描述。
      • 相关公式:
      • $P = A\sigma T^4$

来源:College Board AP 课程与考试说明

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.

A hotter black body radiates more, and its peak shifts to shorter wavelengths
A hotter black body radiates more, and its peak shifts to shorter wavelengths
探索

更热还是更冷的黑体?

黑体的光谱随温度变化。对每个事实进行分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
blackbody/ˈblækbɒdi/ 黑体 hēi tǐ
15.5

光电效应

教学大纲

学习目标 15.5.A: 利用光电效应描述光子与物质之间的相互作用。

  • 15.5.A.1 光电效应是指当电磁辐射照射到光敏材料上时,电子被发射出来的现象。
  • 15.5.A.2 通过光电效应发射电子需要入射光具有最低频率,称为截止频率(阈值频率)。
    • 15.5.A.2.i 照射到材料上且频率达到或超过截止频率的光,无论撞击该材料的光子数量多少,都会引发电子发射。
    • 15.5.A.2.ii 发射出的电子能量不取决于照射到材料上的光子数量,这为光是由被称为光子的离散、量子化能量包组成的这一观点提供了证据。
  • 15.5.A.3 发射电子的最大动能与入射光的频率及材料的逸出功 $\phi$ 有关。
    • 15.5.A.3.i 材料的逸出功是指从材料中的原子发射出一个电子所需的最小能量。
    • 15.5.A.3.ii 发射电子的最大动能由公式 $K_{\max} = hf - \phi$ 给出。
    • 15.5.A.3.iii 在演示光电效应并测定金属逸出功的典型实验装置中,两块金属板置于真空室内,并连接到可变电势差电源。其中一块板用单色光照射,导致电子逸出;调节两板间的电势差,直到电路中测不到电流为止。

边界声明: 如适用,考试中会提供材料的逸出功数据;学生无需记忆逸出功的具体数值,也无需了解影响其大小变化的材料变量。

来源:College Board AP 课程与考试说明

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).

The maximum kinetic energy of photoelectrons rises linearly with frequency
The maximum kinetic energy of photoelectrons rises linearly with frequency

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.

探索

光电效应

被射出电子的最大动能随光频率线性增加,前提是超过阈值。

词汇 训练
English 中文 拼音
photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ 光电效应 guāng diàn xiào yìng
work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ 逸出功 yì chū gōng
15.6

康普顿散射

教学大纲

学习目标 15.6.A: 使用康普顿散射描述光子与物质之间的相互作用。

  • 15.6.A.1 在康普顿散射中,光子与自由电子发生相互作用。当出射光子的能量低于入射光子且波长更长时,这种现象称为康普顿效应。该波长的变化量与碰撞后光子的运动方向有关。
  • 15.6.A.2 康普顿散射为光是由离散的、量子化的能量包(即光子)组成的这一观点提供了证据。
    • 15.6.A.2.i 通过将光子视为粒子,并对光子与电子的碰撞应用能量守恒定律和动量守恒定律,可以解释康普顿散射现象。
    • 15.6.A.2.ii 光子能量向电子转移会导致光子的能量、动量、频率和波长发生变化。
      • 相关公式:
      • $E = hf$
      • $\lambda = \dfrac{h}{p}$
  • 15.6.A.3 光子与电子碰撞后波长的变化量与光子方向改变的程度有关。
    • 相关公式:
    • $\Delta\lambda = \dfrac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$

边界说明:AP物理2包含二维动量守恒的完整定量和定性分析内容。

来源:College Board AP 课程与考试说明

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.

探索

康普顿散射

X射线光子与电子碰撞。对每个结果进行分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Compton scattering/ˈkɒmptn ˈskætərɪŋ/ 康普顿散射 kāng pǔ dùn sǎn shè
15.7

裂变、聚变与核衰变

教学大纲

学习目标 15.7.A: 描述限制原子核、亚原子粒子和核子之间相互作用的物理性质。

  • 15.7.A.1 强相互作用在原子核尺度上起作用,并主导核子(质子或中子)之间的相互作用。
  • 15.7.A.2 可能的核反应受到核子数守恒定律的约束。
  • 15.7.A.3 核反应中组成粒子的行为受能量守恒、质能等价和动量守恒定律的约束。
  • 15.7.A.4 对于所有核反应,由于质能等价性,质量和能量可能发生交换。
    • 相关公式:
    • $E = mc^2$
  • 15.7.A.5 核过程中释放的能量可能以产物的动能或光子的形式出现。
  • 15.7.A.6 核聚变是指两个或多个较小的原子核结合形成一个较大的原子核以及亚原子粒子的过程。
  • 15.7.A.7 核裂变是指一个原子的原子核分裂成两个或多个较小的原子核以及亚原子粒子的过程。
  • 15.7.A.8 根据原子核的结合能不同,核裂变可能是自发发生的,也可能需要输入能量。

学习目标 15.7.B: 描述由有限数量原子核组成的给定样品的放射性衰变。

  • 15.7.B.1 放射性衰变是原子核自发转变为一个或多个不同原子核的过程。
    • 15.7.B.1.i 单个原子核发生放射性衰变的具体时间无法确定,但衰变速率可以用概率来描述。
    • 15.7.B.1.ii 放射性材料的半衰期 $t_{1/2}$ 是指初始数量的放射性原子核中有半数发生自发衰变所需的时间。
    • 15.7.B.1.iii 衰变常数 $\lambda$ 可以通过公式 $\lambda = \dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}$ 与放射性材料的半衰期相关联。
  • 15.7.B.2 材料的衰变常数可用于预测经过一段时间后样品中剩余的原子核数量,或者如果已知材料的初始含量,还可以用于推算材料的年代。
    • 相关公式:
    • $N = N_0 e^{-\lambda t}$
    • 导出公式:
    • $\ln\left(\dfrac{N}{N_0}\right) = -\lambda t$
  • 15.7.B.3 不同的不稳定元素和同位素可能具有截然不同的半衰期,范围从不到一秒到数十亿年不等。

来源:College Board AP 课程与考试说明

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). In energy-releasing fission or fusion, the final products have slightly less total rest mass; the difference supplies energy according to $E=mc^2$. Not every possible fission or fusion reaction releases energy.

Binding energy per nucleon peaks near iron, so both fusion and fission can release energy
Binding energy per nucleon peaks near iron, so both fusion and fission can release energy

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.

A nuclear power station: fission of heavy nuclei releases the energy that drives the plant
A nuclear power station: fission of heavy nuclei releases the energy that drives the plant
探索

平衡核衰变方程

在α衰变、β衰变和γ衰变中,核子数和电荷数必须守恒。选择一种模式,观察母核如何转变为子核。

词汇 训练
English 中文 拼音
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
Fission/ˈfɪʃn/ 裂变 liè biàn
Fusion/ˈfjuːʒn/ 聚变 jù biàn
15.8

放射性衰变的类型

教学大纲

学习目标 15.8.A: 描述单个原子核发生衰变的过程。

  • 15.8.A.1 某些原子核衰变过程会发射具有独特性质的亚原子粒子。
    • 15.8.A.1.i α粒子,即氦原子核,由两个中子和两个质子组成,符号为 $\alpha$ 或 $\text{He}^{2+}$。(在物理2中,仅考虑 He-4 原子核。)
    • 15.8.A.1.ii 中微子和反中微子是亚原子粒子,它们不带电,质量可忽略不计,分别用符号 $\nu$ 和 $\bar{\nu}$ 表示。
    • 15.8.A.1.iii 中微子和反中微子仅通过弱力和引力与物质相互作用,因此与普通物质的相互作用极小。
    • 15.8.A.1.iv 正电子(或称反电子)是亚原子粒子,其电荷与电子相反,质量与电子相同,符号为 $e^+$ 或 $\beta^+$。
  • 15.8.A.2 原子核可以通过α衰变、β⁻衰变($\beta^-$)、β⁺衰变($\beta^+$)和γ衰变($\gamma$)发生放射性衰变。
    • 15.8.A.2.i 在所有核衰变过程中,核子数(中子和质子的总数)、轻子数(电子和中微子的总数)以及电荷均守恒。
    • 15.8.A.2.ii α衰变是指原子核发射出α粒子的过程。
    • 15.8.A.2.iii β⁻衰变是指一个中子转变为质子,同时发射出一个电子和一个反中微子的过程。
    • 15.8.A.2.iv β⁺衰变是指一个质子转变为中子,同时发射出一个正电子和一个中微子的过程。
    • 15.8.A.2.v γ衰变发生在原子核经历α衰变或β衰变之后,处于激发态的原子核通过发射光子跃迁到较低能级的过程。
  • 15.8.A.3 特定原子核所表现出的衰变类型取决于该元素的同位素。

边界说明:AP物理2不要求学生记忆特定同位素的衰变过程或半衰期。中子发射和电子俘获不属于AP物理2课程框架的内容。此外,中微子的种类、区分中微子与反中微子的特性,以及对弱力的解释或应用不在本课程范围内。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Radioactive decay & half-life

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

The penetrating power of alpha, beta, and gamma radiation
The penetrating power of alpha, beta, and gamma radiation
  • 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 ($\beta^+$), inside a nucleus with enough available decay energy, 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.

探索

观察样本衰变

放射性原子核以固定的半衰期随机衰变:每经过一个半衰期,剩余的数量减半。向前一步,观察样本的缩减。

词汇 训练
English 中文 拼音
radioactive decay/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv dɪˈkeɪ/ 放射性衰变 fàng shè xìng shuāi biàn
Alpha decay/ˈælfə dɪˈkeɪ/ 阿尔法衰变 ā ěr fǎ shuāi biàn
Beta decay/ˈbiːtə dɪˈkeɪ/ 贝塔衰变 bèi tǎ shuāi biàn
antineutrino/ˌæntɪnjuːˈtriːnəʊ/ 反中微子 fǎn zhōng wēi zǐ
positron/ˈpɒzɪtrɒn/ 正电子 zhèng diàn zǐ
neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ 中微子 zhōng wēi zǐ
Gamma decay/ˈɡæmə dɪˈkeɪ/ 伽马衰变 gā mǎ shuāi biàn
half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī
lepton number/ˈleptɒn ˈnʌmbə/ 轻子数 qīng zǐ shù
15.8

Practice

English

Answer each before reading the answers below. Take $h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$, $c=3.0\times10^{8}\ \text{m/s}$ and $1\ \text{eV}=1.6\times10^{-19}\ \text{J}$.

  1. Find the energy of a photon of blue light of wavelength $450\ \text{nm}$, in joules and in electronvolts.
  2. That light falls on a metal with work function $2.3\ \text{eV}$. Find the maximum kinetic energy of the ejected electrons.
  3. In hydrogen the $n=3$ level is at $-1.51\ \text{eV}$ and the $n=2$ level at $-3.40\ \text{eV}$. Find the energy and the wavelength of the photon emitted when an electron drops from $n=3$ to $n=2$.
  4. The activity of a sample falls from $1600\ \text{Bq}$ to $100\ \text{Bq}$ in $20$ hours. Find its half-life.
  5. A student says: "Brighter light ejects photoelectrons with more kinetic energy." Correct the student.
15.8

答案

English
  1. $E=\dfrac{hc}{\lambda}=\dfrac{(6.63\times10^{-34})(3.0\times10^{8})}{450\times10^{-9}}=4.4\times10^{-19}\ \text{J}$, which is $\dfrac{4.42\times10^{-19}}{1.6\times10^{-19}}=2.8\ \text{eV}$.
  2. $K_{\max}=hf-\phi=2.76-2.30=0.46\ \text{eV}$ (about $7.4\times10^{-20}\ \text{J}$).
  3. $E=-1.51-(-3.40)=1.89\ \text{eV}=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$. Then $\lambda=\dfrac{hc}{E}=\dfrac{1.99\times10^{-25}}{3.02\times10^{-19}}=6.6\times10^{-7}\ \text{m}$, about $660\ \text{nm}$: the red line of hydrogen.
  4. $1600\to800\to400\to200\to100$ is 4 half-lives in $20\ \text{h}$, so the half-life is $5.0\ \text{h}$.
  5. Brighter light at the same frequency means more photons per second, so more electrons come off each second, but each photon still carries $hf$. The maximum kinetic energy $hf-\phi$ depends only on the frequency. Raise the frequency, not the brightness, to get faster electrons.
15.8

考试技巧

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).

Common mistakes

  • Thinking brighter light gives faster photoelectrons. Intensity changes the number of photons; each photon's energy, and so the maximum kinetic energy, depends only on frequency: $K_{\max} = hf - \phi$.
  • Expecting electrons below the threshold frequency if the light is bright enough. Below $f_0 = \phi/h$ no electrons are emitted, however intense the light.
  • Mixing joules and electronvolts in $E = hf$. Use $h = 6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$ for joules or $h = 4.14\times10^{-15}\ \text{eV s}$ for electronvolts; $1\ \text{eV} = 1.6\times10^{-19}\ \text{J}$.
  • Saying an atom can absorb any photon. It absorbs only photons whose energy matches the gap between two of its energy levels.
  • Saying that after two half-lives nothing is left. One quarter of the original nuclei remains; after $n$ half-lives, $(\tfrac12)^n$ remains.
  • Leaving out the mass in $\Delta E = \Delta m\,c^2$ units: $\Delta m$ in kilograms and $c = 3.0\times10^8\ \text{m/s}$ give joules.

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

历年真题

更多 AP 物理 2 知识点

登录或创建账户

IGCSE, A-Level & AP