高校物理:原子/よく出るものまとめ【偏差値70超えの暗記ノート】

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この記事を読み終わると得られること

  • 光子のエネルギー・プランク定数・振動数や波長の関連公式は絶対覚える
  • ブラッグ反射の実験の要点
  • 光電効果の要点
  • コンプトン効果の要点
  • 連続X線と特性Xに関する問題の要点
  • ボーアの水素原子模型に関する問題の要点
  • 素粒子に関する問題
編集者について

河合全統記述模試にて、偏差値40台から英数物化を自力で70前半まで1年以内に伸ばしました。過去、数物化の勉強法を載せた記事がGoogle検索1位獲得。現在は暗号資産マーケットのDefi、金融取引を苦戦勉強中。

▶ 原子

オメガ・エル・愛ちゃん

入試に出てくるテーマはほぼほぼ決まっているので対策がしやすく得点源になりやすいです。しかし、通常の進学を目的とした高校のカリキュラムでは化学の高分子分野と重なり入試直前なので現役生の方は対策時間が足りなくなる可能性があります。

・光量子と物質波の性質は絶対覚える

知っておくべき知識
  1. 光子のエネルギーはプランク定数に振動数をかけたもので、それを光速で割ると運動量が分かる
  2. 光速は振動数と波長をかけたものになり波動分野で習った速度=振動数と波長の積と同じに見えるが、光速は一定なのでニュアンスの違いに注意
オメガ・エル・愛ちゃん

光は「波」でありながら「粒子」としてもふるまう。この粒子としての単位が 光量子(光子) です。

・結晶にX線を当てる実験

オメガ・エル・愛ちゃん

結晶性物質の原子が規則正しく並んでいる場合、原子間距離と同程度の波長のX線を照射すると、X線が原子の電子によって散乱され、特定の方向に強め合って回折します。この現象は、ブラッグの法則に従います。

オメガ・エル・愛ちゃん

この実験は波動分野で習った、波の強め合い・弱め合い、光の性質、ドップラー効果と組み合わせやすいのでよく入試に出る印象です。

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・光子を金属上の電子に当てる光電効果の実験

知っておくべき知識
  1. 「光電効果(photoelectric effect)」:光が金属に当たったときに電子が飛び出す現象。光電効果の実験では光子は粒子としてエネルギーをもっていることがわかります
  2. 光子のエネルギーが仕事関数を超えると、光子が金属板に衝突する際に金属板から電子が飛び出る
オメガ・エル・愛ちゃん

高校物理では、光の粒子性(光子としての性質)を示す代表的な現象として扱います。光は「波」だけではなく「粒子(光子)」としての性質も持っていることを、古典物理では説明できなかったため、アインシュタインがこの説明でノーベル賞を受賞しました(1921年)。

オメガ・エル・愛ちゃん

光電効果では以下のことが分かります

現象説明
光の強さを強くしても電子の最大速度は変わらない光の強さは光子の数を増やすだけで、1個あたりのエネルギー(hf)は変わらない
光の振動数を上げると電子の速さが増す光子1個のエネルギーが増えるため
一定の振動数以下では電子がまったく出ない( hf < W ) では電子が飛び出せないため
電子は光を当てた瞬間に出る光子1個が電子1個にエネルギーを渡すため、遅れがない

・コンプトン効果の実験

知っておくべき知識
  1. 光子を電子にぶつけると散乱したあとの光子の波長は長くなり、増加した分の波長をコンプトン波長といいます
  2. コンプトン効果の実験では光子は粒子として運動量をもっていることが分かります。
オメガ・エル・愛ちゃん

光(X線などの高エネルギー電磁波)が電子にぶつかって散乱すると、散乱後の光の波長が長くなる現象です。
アメリカの物理学者 A.H. Compton(コンプトン) が発見しました。

・固有X線と連続X線の違い

知っておくべき知識
  1. X線:高エネルギーの電磁波(波長が短く、振動数が非常に高い光)です。主に、電子を金属に高速で衝突させたときに発生
  2. 連続X線:加速電圧を変えると波長が変化する。「電子が止まるとき」出る
  3. 固有X線:加速電圧を変えても波長は変化しない。 「電子殻に電子が落ちるとき」出る
オメガ・エル・愛ちゃん

加速された電子が金属原子の原子核の近くを通るとき、クーロン力によって進行方向が曲げられ、
運動エネルギーの一部が 電磁波(=X線) として放出されます。どれくらいエネルギーを失うかは電子ごとに違うため、さまざまな波長のX線(=連続的なスペクトル) が出る。

オメガ・エル・愛ちゃん

次は固有Xについて見ていきましょう。電子が衝突したとき、金属原子の内側の電子(K殻など) を弾き飛ばすことがあります。
すると、その空いた電子の穴に外側の電子が落ちてくるとき、余分なエネルギーがX線として放出されます。原子の電子のエネルギー差はその元素固有なので、特定の波長のX線(=固有X線)が出ます。

・ボーアの水素原子模型、ボーア半径・基底状態・放出される光の波長

知っておくべき知識
  1. 「ボーアの水素原子模型」は、1913年、ニールス・ボーア(N. Bohr)が提唱した、電子が原子核のまわりを特定の軌道で運動するモデル古典物理 → 量子論 への橋渡しとなった超重要テーマで光のスペクトルの法則を説明しました。
  2. 電子の円運動と量子条件の2つにより、原子内のエネルギー準位が「飛び飛び」の値を取ることがわかりました
オメガ・エル・愛ちゃん

共通テスト化学で出るイメージ。二次試験でも誘導があるので誘導に載れればOKな希ガス。円運動とクーロン力の条件、量子条の2つを抑えておきましょう。

グルフル転化糖ちゃん

ただし、2017年の早稲田理工 物理では向心力がクーロン力と等しい式と角運動量がプランク定数を2πで割ったものの整数倍の二式をほぼノーヒントで答えさせる問がありました。前者は覚えやすいですが後者は以下のようにも覚えておくといいかも

・クォークに関する問題 ※主に共通テスト物理で出る

オメガ・エル・愛ちゃん

物質の最小の構成単位、素粒子に関する問題です。大体の問題が中性子は1個のU(アップクォーク)と2個のd(ダウンクォーク)からなり、その電荷が0というような誘導が付いていると思われるため以下の電荷の数値は出てきやすい。不安なら覚えておきましょう。

第一世代
クォーク
電荷
アップクォークU+2/3 e
ダウンクォークd-1/3 e

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