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Physique moderne

AP Physique 2 · Topic 15 · ⁨Sujet 15⁩

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9:32

Physique moderne

À la fin du XIXe siècle, la physique semblait terminée. Puis trois expériences l'ont remise en question. Un objet chaud et lumineux émettait les mauvaises couleurs. La lumière tombant sur un métal…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés⁩

15.1

Quantum Theory and Wave-Particle Duality · ⁨Théorie quantique et dualité onde-particule⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.
Français

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français
Une chambre à brouillard : la physique moderne trace les particules chargées provenant de désintégrations radioactives
Chambre à brouillard : la physique moderne suit les particules chargées issues de désintégrations radioactives

Aux petites échelles, l'énergie arrive par paquets discrets appelés quanta 量子. La lumière est transportée par des photons 光子, chacun ayant une énergie fixée par sa fréquence :

$$E=hf,$$
où $h$ est la constante de Planck. Dualité onde-particule 波粒二象性 : la lumière et la matière montrent chacune à la fois un comportement ondulatoire (interférence, diffraction) et un comportement corpusculaire (photons, électrons comme impacts localisés). Une particule a aussi une longueur d'onde matérielle $\lambda=\dfrac{h}{p}$, et les particules produisent véritablement des interférences – une variation de l'expérience des doubles fentes 双缝实验 de Young réalisée avec des électrons construit le même motif de franges que la lumière.

Les électrons forment une figure de diffraction, montrant que les particules ont une nature ondulatoire
Les électrons forment un motif de diffraction, montrant que les particules ont une nature ondulatoire

Exemple résolu. Trouver l'énergie d'un photon de lumière orange de fréquence $5.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ ($h=6.63\times10^{-34}\ \text{J s}$) : $E=hf=6.63\times10^{-34}\times5.0\times10^{14}=3.3\times10^{-19}\ \text{J}$, ce qui correspond environ à $2.1\ \text{eV}$ (en divisant par $1.6\times10^{-19}$). Les photons de lumière visible transportent quelques électronvolts – juste ce qu'il faut pour déclencher la chimie de la vision et de la photosynthèse.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
quanta/ˈkwɒntə/ 量子 liàng zǐ
photons/ˈfəʊtɒnz/ 光子 guāng zi
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
Bohr model/ˈbəʊə ˈmɒdl/ 玻尔模型 bō ěr mó xíng
15.2

The Bohr Model of Atomic Structure · ⁨Modèle atomique de Bohr⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.

Français

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

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français

Le modèle de Bohr 玻尔 modèle représente les électrons orbitant autour du noyau uniquement dans certains niveaux d'énergie autorisés 能级. Un électron ne peut passer d'un niveau à l'autre qu'en absorbant ou en émettant un photon dont l'énergie correspond exactement à l'écart :

$$E_{\text{photon}}=|E_{\text{final}}-E_{\text{initial}}|.$$
Comme les niveaux sont discrets, seules certaines énergies de photon sont autorisées.

15.3

Emission and Absorption Spectra · ⁨Spectres d'émission et d'absorption⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.

Français

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

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français
  • Un spectre d'émission 发射光谱 est l'ensemble des raies brillantes émises lorsque les électrons descendent vers des niveaux inférieurs – chaque raie correspondant à une longueur d'onde spécifique.
  • Un spectre d'absorption 吸收光谱 est l'ensemble des raies sombres où ces mêmes longueurs d'onde sont absorbées à partir d'une source continue.
Les niveaux d'énergie discrets de l'hydrogène produisent un spectre de raies
Les niveaux d'énergie discrets de l'hydrogène produisent un spectre de raies

Le motif spectral est une empreinte digitale de l'élément, car chaque élément possède ses propres niveaux d'énergie.

Les quatre raies d'émission visibles de l'hydrogène sur fond noir
Spectre d'émission de l'hydrogène : chaque raie brillante correspond à la lumière émise par un électron descendant entre des niveaux d'énergie fixes
Explore · ⁨Explorer⁩

Voir le spectre linéaire d'un élément

Les électrons sautent entre niveaux d'énergie fixes, émettant ou absorbant des photons de longueurs d'onde exactes — un spectre linéaire qui sert d'empreinte digitale à l'élément.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
energy levels/ˈenədʒi ˈlevlz/ 能级 néng jí
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

Blackbody Radiation · ⁨Rayonnement du corps noir⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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:
      • $P = A\sigma T^4$
Français

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français

Un corps noir 黑体 émet un spectre continu qui dépend uniquement de sa température. Les objets plus chauds brillent davantage et leur maximum se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes (rouge incandescent à blanc incandescent puis bleu). Expliquer ce spectre a nécessité l'énergie quantifiée – un problème fondateur de la théorie quantique.

Un corps noir plus chaud rayonne davantage et son maximum se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes
Un corps noir plus chaud rayonne davantage et son maximum se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes
Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
blackbody/ˈblækbɒdi/ 黑体 hēi tǐ
photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ 光电效应 guāng diàn xiào yìng
work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ 逸出功 yì chū gōng
Compton scattering/ˈkɒmptn ˈskætərɪŋ/ 康普顿散射 kāng pǔ dùn sǎn shè
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
15.5

The Photoelectric Effect · ⁨Effet photoélectrique⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.

Français

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

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français
L'effet photoélectrique

Faire briller de la lumière sur un métal peut éjecter des électrons – l'effet photoélectrique 光电效应. Faits clés (que seul le modèle photonique explique) : les électrons ne sortent que si la fréquence du photon dépasse un seuil, quelle que soit l'intensité d'une lumière plus faible ou de fréquence inférieure. La conservation de l'énergie donne

$$K_{\max}=hf-\phi,$$
où $\phi$ est le travail d'extraction 逸出功 du métal (l'énergie nécessaire pour libérer un électron).

L'énergie cinétique maximale des photoélectrons augmente linéairement avec la fréquence
L'énergie cinétique maximale des photoélectrons augmente linéairement avec la fréquence

Exemple résolu. De la lumière de fréquence $8.0\times10^{14}\ \text{Hz}$ frappe un métal dont le travail d'extraction est $\phi=3.0\times10^{-19}\ \text{J}$. Les électrons les plus énergétiques s'en échappent avec

$$K_{\max}=hf-\phi=(6.63\times10^{-34}\times8.0\times10^{14})-3.0\times10^{-19}=5.3\times10^{-19}-3.0\times10^{-19}=2.3\times10^{-19}\ \text{J}.$$
En dessous de la fréquence seuil $\phi/h$, $K_{\max}$ serait négatif – signifiant qu'aucun électron ne s'échappe, quelle que soit l'intensité de la lumière.

15.6

Compton Scattering · ⁨Diffusion de Compton⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.

Français

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

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français

Dans la diffusion de Compton 康普顿散射, un photon entre en collision avec un électron comme deux particules, transférant une partie de son énergie et de sa quantité de mouvement. Le photon diffusé ressort avec moins d'énergie (longueur d'onde plus longue). C'est une preuve directe que les porteurs de photons ont une impulsion et se comportent comme des particules.

15.7

Fission, Fusion, and Nuclear Decay · ⁨Fission, fusion et désintégration nucléaire⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.
Français

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

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

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français

Le noyau 原子核 stocke une énergie immense. La fission 裂变 divise un noyau lourd en noyaux plus légers, libérant de l'énergie (réacteurs nucléaires, bombes). La fusion 聚b joint des noyaux légers en un noyau plus lourd (la puissance du Soleil). Les deux libèrent de l'énergie car les produits ont légèrement moins de masse, convertie via $E=mc^2$.

L'énergie de liaison par nucléon atteint un pic près du fer, permettant à la fois fusion et fission de libérer de l'énergie
L'énergie de liaison par nucléon atteint un pic près du fer, permettant à la fois fusion et fission de libérer de l'énergie

Exemple résolu. Même une infime masse se convertit en une énorme énergie. Si une réaction nucléaire perd $1.0\times10^{-3}\ \text{kg}$ de masse, elle libère $E=mc^2=1.0\times10^{-3}\times(3.0\times10^{8})^2=9.0\times10^{13}\ \text{J}$ – environ l'équivalent énergétique de $20\,000$ tonnes de TNT.

Une centrale nucléaire : la fission de noyaux lourds libère l'énergie qui actionne le réacteur
Une centrale nucléaire : la fission de noyaux lourds libère l'énergie qui actionne le réacteur
Explore · ⁨Explorer⁩

Équilibrer une équation de désintégration nucléaire

Dans les désintégrations alpha, bêta et gamma, les nombres de nucléons et de charge doivent s'équilibrer. Choisissez un mode et voyez comment le parent se transforme en fille.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
Fission/ˈfɪʃn/ 裂变 liè biàn
Fusion/ˈfjuːʒn/ 聚变 jù biàn
15.8

Types of Radioactive Decay · ⁨Types de désintégration radioactive⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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.

Français

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

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

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

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Source : Description du cours et de l'examen AP College Board⁩

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.

Français
Désintégration radioactive & demi-vie

Les noyaux instables subissent une désintégration radioactive 放射性衰变, émettant :

Le pouvoir pénétrant des radiations alpha, bêta et gamma
Le pouvoir pénétrant des radiations alpha, bêta et gamma
  • Désintégration alpha 阿尔法衰变 ($\alpha$) : un noyau d'hélium – le nombre de masse diminue de 4.
  • Désintégration bêta 贝塔衰变 ($\beta$) existe en deux types. Dans la bêta moins ($\beta^-$), un neutron devient un proton, émettant un électron et un antineutrino 反中微子 : $n\rightarrow p+e^-+\bar{\nu}$. Dans la bêta plus ($\beta^+$), un proton devient un neutron, émettant un positron 正电子 et un neutrino 中微子 : $p\rightarrow n+e^++\nu$.
  • Désintégration gamma 伽马衰变 ($\gamma$) : un photon haute énergie – le noyau se débarrasse de son excès d'énergie.

Le neutrino et l'antineutrino (symboles $\nu$, $\bar{\nu}$) sont des particules minuscules, sans charge, presque sans masse, qui emportent de l'énergie et équilibrent la désintégration bêta. La désintégration est aléatoire, mais un échantillon diminue de moitié toutes les demi-vies 半衰期 : après chaque demi-vie, la moitié des noyaux restants se sont désintégrés. Chaque équation de désintégration conserve trois quantités : le nombre nucléonique (nombre de masse), la charge et le nombre leptonique 轻子数 – un électron ou un neutrino compte comme $+1$ lepton, un positron ou un antineutrino comme $-1$, et les totaux doivent correspondre des deux côtés.

Exemple résolu. Un échantillon radioactif a une demi-vie de $8.0$ jours. Quelle fraction reste après $24$ jours ? Cela représente $24/8.0=3$ demi-vies, donc la fraction restante est $\left(\tfrac12\right)^3=\tfrac18$ – soit environ $12.5\%$. Lors d'une désintégration alpha de l'uranium-238 ($^{238}_{\ 92}\text{U}$), le fils a un nombre de masse de $238-4=234$ et un numéro atomique de $92-2=90$ : thorium-234.

Explore · ⁨Explorer⁩

Observer la désintégration d'un échantillon

Les noyaux radioactifs se désintègrent aléatoirement avec une demi-vie fixe : chaque demi-vie réduit de moitié le nombre restant. Avancez étape par étape et voyez l'échantillon diminuer.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
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 zi
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 zi shù
15.8

Exam tips · ⁨Conseils d'examen⁩

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).
Français
  • L'énergie du photon est $E=hf$ ; en dessous de la fréquence seuil, aucun électron n'est émis quelle que soit l'intensité de la lumière (effet photoélectrique).
  • Utilisez $K_{\max}=hf-\phi$ pour les photoélectrons les plus rapides ($\phi$ = travail d'extraction).
  • Les électrons sautent entre des niveaux d'énergie discrets en absorbant/émettant un photon dont l'énergie égale l'écart entre les niveaux – source des spectres de raies.
  • En fission et fusion, la petite perte de masse se convertit en énergie via $E=mc^2$.
  • Équilibrez les équations de désintégration en conservant le nombre de masse, la charge et le nombre leptonique (écrivez l'antineutrino dans $\beta^-$, le neutrino dans $\beta^+$), et réduisez l'échantillon de moitié à chaque demi-vie ($(\tfrac12)^n$ après $n$ demi-vies).

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