| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.1.A |
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近代物理
AP 物理 2 · 第 15 主题
15.1
量子理论与波粒二象性
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在微小的尺度上,能量以叫量子(quanta)的离散包出现。光由光子(photons)携带,每个的能量由它的频率设定:

Worked example. 求频率 $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ 的橙光的一个光子的能量($h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$):$E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$,它约是 $2.1\ \text{eV}$(除以 $1.6\times10^{-19}$)。可见光光子携带几个电子伏特——正好触发视觉和光合作用的化学。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| quanta | 量子 | liàng zǐ |
| photons | 光子 | guāng zi |
| Wave–particle duality | 波粒二象性 | bō lì èr xiàng xìng |
| double-slit experiment | 双缝实验 | shuāng fèng shí yàn |
15.2
玻尔原子模型
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.2.A |
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. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
玻尔模型(Bohr model)把电子描绘成只在某些允许的能级(energy levels)绕原子核轨道运行。一个电子只能通过吸收或发射一个能量恰好匹配间隙的光子在能级之间跳跃:
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Bohr model | 玻尔模型 | bō ěr mó xíng |
| energy levels | 能级 | néng jí |
15.3
发射光谱与吸收光谱
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.3.A |
Boundary statement: In AP Physics 2, only energy level diagrams of single-electron atoms will be considered. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
- 一个发射光谱(emission spectrum)是当电子落到较低能级时发出的明线的集合——每条线一个特定的波长。
- 一个吸收光谱(absorption spectrum)是那些相同波长从一个连续源被吸收的暗线的集合。

线的模式是元素的一个指纹,因为每个元素有它自己的能级。
See an element's line spectrum
Electrons jump between fixed energy levels, emitting or absorbing photons of exact wavelengths — a line spectrum that fingerprints the element.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| emission spectrum | 发射光谱 | fā shè guāng pǔ |
| absorption spectrum | 吸收光谱 | xī shōu guāng pǔ |
15.4
黑体辐射
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.4.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个黑体(blackbody)发射一个只取决于它温度的连续光谱。更热的物体发光更亮并在更短的波长达到峰值(红热到白热到蓝热)。解释这个光谱需要量子化的能量——量子理论的一个奠基问题。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| blackbody | 黑体 | hēi tǐ |
15.5
光电效应
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.5.A |
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. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
把光照在一个金属上能弹出电子——光电效应(photoelectric effect)。关键事实(只有光子图像解释):电子只有在光子的频率超过一个阈值时才出来,无论一个更暗、更低频率的光多亮。能量守恒给出

Worked example. 频率 $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ 的光落在一个逸出功 $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$ 的金属上。最有能量的电子以以下出来
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| photoelectric effect | 光电效应 | guāng diàn xiào yìng |
| work function | 逸出功 | yì chū gōng |
15.6
康普顿散射
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.6.A |
Boundary statement: AP Physics 2 includes full quantitative and qualitative treatments of conservation of momentum in two dimensions. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在康普顿散射(Compton scattering)里,一个光子像两个粒子那样与一个电子碰撞,转移一些能量和动量。散射的光子以更少能量(更长波长)出来。这是光子携带动量并表现为粒子的直接证据。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Compton scattering | 康普顿散射 | kāng pǔ dùn sǎn shè |
15.7
裂变、聚变与核衰变
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.7.A |
|
15.7.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
原子核(nucleus)储存巨大的能量。裂变(fission)把一个重原子核分裂成更轻的,释放能量(核反应堆、炸弹)。聚变(fusion)把轻原子核连接成一个更重的(太阳的能量)。两者都释放能量,因为产物有略更少的质量,由 $E=mc^2$ 转换。

Worked example. 即使一个微小的质量也转换成一个巨大的能量。若一个核反应损失 $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$ 的质量,它释放 $E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ ——大致是 $20\,000$ 吨 TNT 的能量。

Balance a nuclear decay equation
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.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| nucleus | 原子核 | yuán zǐ hé |
| Fission | 裂变 | liè biàn |
| Fusion | 聚变 | jù biàn |
15.8
放射性衰变的类型
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
15.8.A |
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. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
不稳定的原子核经历放射性衰变(radioactive decay),发射:

- 阿尔法衰变(alpha decay)($\alpha$):一个氦核——质量数下降 4。
- 贝塔衰变(beta decay)($\beta$)有两种。在贝塔负($\beta^-$)里一个中子变成一个质子,放出一个电子和一个反中微子(antineutrino):$n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$。在贝塔正($\beta^+$)里一个质子变成一个中子,放出一个正电子(positron)和一个中微子(neutrino):$p\rightarrow n+e^++\nu$。
- 伽马衰变(gamma decay)($\gamma$):一个高能光子——原子核脱掉多余的能量。
中微子和反中微子(符号 $\nu$、$\bar{\nu}$)是微小的、无电荷的、几乎无质量的粒子,它们带走能量并使贝塔衰变保持平衡。衰变是随机的,但一个样本每个半衰期(half-life)减半:每个半衰期后,剩下原子核的一半已经衰变。每个衰变方程守恒三个量:核子数(质量数)、电荷和轻子数(lepton number)——一个电子或中微子记为 $+1$ 轻子,一个正电子或反中微子记为 $-1$,两边的总数必须相等。
Worked example. 一个放射性样本有一个 $8.0$ 天的半衰期。$24$ 天后剩多少分数?那是 $24/8.0=3$ 个半衰期,所以剩下的分数是 $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ ——约 $12.5\%$。在铀-238($^{238}_{\ 92}\text{U}$)的一次阿尔法衰变里,子体有质量数 $238-4=234$ 和原子序数 $92-2=90$:钍-234。
Watch a sample decay
Radioactive nuclei decay randomly with a fixed half-life: each half-life halves the number remaining. Step forward and watch the sample shrink.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| radioactive decay | 放射性衰变 | fàng shè xìng shuāi biàn |
| Alpha decay | 阿尔法衰变 | ā ěr fǎ shuāi biàn |
| Beta decay | 贝塔衰变 | bèi tǎ shuāi biàn |
| antineutrino | 反中微子 | fǎn zhōng wēi zi |
| positron | 正电子 | zhèng diàn zi |
| neutrino | 中微子 | zhōng wēi zi |
| Gamma decay | 伽马衰变 | gā mǎ shuāi biàn |
| half-life | 半衰期 | bàn shuāi qī |
| lepton number | 轻子数 | qīng zi shù |
15.8
考试技巧
- 光子能量是 $E=hf$;低于阈值频率没有电子被发射无论光多亮(光电效应)。
- 对最快的光电子用 $K_{\max}=hf-\phi$($\phi$ = 逸出功)。
- 电子通过吸收/发射一个能量等于能级间隙的光子在离散能级之间跳跃——线光谱的来源。
- 在裂变和聚变里,损失的小质量通过 $E=mc^2$ 变成能量。
- 通过守恒质量数、电荷和轻子数配平衰变方程(在 $\beta^-$ 里写反中微子,在 $\beta^+$ 里写中微子),并每个半衰期($n$ 个半衰期后 $(\tfrac12)^n$)把样本减半。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。