Một quyển SGK VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA NƯỚC NGOÀI

The Free High School Science Texts: A Textbook for High School Students Studying Physics. FHSST Authors 1 August 5, 2005 1 See http://savannah.nongnu.org/projects/fhsst Copyright c  2003 “Free High School Science Texts” Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front- Cover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in the section entitled “GNU Free Documentation License”. i Contents I Physics 1 1 Units 3 1.1 PGCE Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 ‘TO DO’ LIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Unit Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.1 SI Units (Syst`eme International d’Unit´es) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.2 The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.6 Choice of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.7 How to Change Units— the “Multiply by 1” Technique . . . . . . . . . . . . . . 7 1.8 How Units Can Help You . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.8.1 What is a ‘sanity test’ ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.9 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.10 Scientific Notation, Significant Figures and Rounding . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Waves and Wavelike Motion 11 2.1 What are waves? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 Characteristics of Waves : Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Characteristics of Waves : Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Characteristics of Waves : Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4 Characteristics of Waves : Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.5 Characteristics of Waves : Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Two Types of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Properties of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Properties of Waves : Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2 Properties of Waves : Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Properties of Waves : Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.4 Properties of Waves : Standing Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.5 Beats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.6 Properties of Waves : Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.7 Properties of Waves : Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4 Practical Applications of Waves: Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.1 Doppler Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.2 Mach Cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.3 Ultra-Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 ii 2.5 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Geometrical Optics 37 3.1 Refraction re-looked . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 Apparent and Real Depth: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Splitting of White Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.3 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Convex lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Concave Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.4 Compound Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.5 The Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Diffuse reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.2 Regular reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.3 Laws of reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.4 Lateral inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5 Curved Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.1 Concave Mirrors (Converging Mirrors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.2 Convex Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.5.3 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.5.4 Laws of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.5.5 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5.6 Mirage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.6 The Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4 Vectors 51 4.1 PGCE Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2 ‘TO DO’ LIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.1 Mathematical representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.2 Graphical representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Some Examples of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.1 Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.2 Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4.3 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5 Mathematical Properties of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5.1 Addition of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5.2 Subtraction of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.5.3 Scalar Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6 Techniques of Vector Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6.1 Graphical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6.2 Algebraic Addition and Subtraction of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.7 Components of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.7.1 Block on an incline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.7.2 Vector addition using components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 iii 4.8 Do I really need to learn about vectors? Are they really useful? . . . . . . . . . . 83 4.9 Summary of Important Quantities, Equations and Concepts . . . . . . . . . . . . 83 5 Forces 85 5.1 ‘TO DO’ LIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 What is a force? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3 Force diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.4 Equilibrium of Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5 Newton’s Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.5.1 First Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.5.2 Second Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.5.3 Third Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.6 Examples of Forces Studied Later . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.6.1 Newtonian Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.6.2 Electromagnetic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.7 Summary of Important Quantities, Equations and Concepts . . . . . . . . . . . . 102 6 Rectilinear Motion 104 6.1 What is rectilinear motion? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.2 Speed and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.3 Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.3.1 Displacement-Time Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.3.2 Velocity-Time Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.3.3 Acceleration-Time Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3.4 Worked Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.4 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.5 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7 Momentum 126 7.1 What is Momentum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 7.2 The Momentum of a System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 7.3 Change in Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.4 What properties does momentum have? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.5 Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7.6 Summary of Important Quantities, Equations and Concepts . . . . . . . . . . . . 139 8 Work and Energy 140 8.1 What are Work and Energy? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.2 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.3.1 Types of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8.4 Mechanical Energy and Energy Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.5 Summary of Important Quantities, Equations and Concepts . . . . . . . . . . . . 151 Essay 1 : Energy 152 Essay 2 : Tiny, Violent Collisions 158 iv 9 Collisions and Explosions 159 9.1 Types of Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.1.1 Elastic Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.1.2 Inelastic Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.2 Explosions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 9.3 Explosions: Energy and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.4 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 10 Newtonian Gravitation 176 10.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 10.2 Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 10.2.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 10.3 Normal Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 10.4 Comparative problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 10.4.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 10.5 Falling bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.6 Terminal velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.7 Drag force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.8 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 11 Pressure 187 11.1 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Essay 3 : Pressure and Forces 188 12 Heat and Properties of Matter 190 12.1 Phases of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 12.1.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 12.2 Phases of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 12.2.1 Solids, liquids, gasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.2.2 Pressure in fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.2.3 change of phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.3 Deformation of solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.3.1 strain, stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.3.2 Elastic and plastic behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12.4 Ideal gasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 12.4.1 Equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 12.4.2 Kinetic theory of gasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 12.4.3 Pressure of a gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 12.4.4 Kinetic energy of molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 12.5 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 12.5.1 Thermal equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 12.5.2 Temperature scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 12.5.3 Practical thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 12.5.4 Specific heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 12.5.5 Specific latent heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 12.5.6 Internal energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 12.5.7 First law of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 12.6 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 v 13 Electrostatics 216 13.1 What is Electrostatics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 13.2 Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 13.3 Electrostatic Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 13.3.1 Coulomb’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 13.4 Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 13.4.1 Test Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 13.4.2 What do field maps look like? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 13.4.3 Combined Charge Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 13.4.4 Parallel plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 13.4.5 What about the Strength of the Electric Field? . . . . . . . . . . . . . . . 229 13.5 Electrical Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 13.5.1 Work Done and Energy Transfer in a Field . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 13.5.2 Electrical Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 13.5.3 Millikan’s Oil-drop Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 13.6 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 14 Electricity 240 14.1 Flow of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 14.2 Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 14.3 Voltage and current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 14.4 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 14.5 Voltage and current in a practical circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 14.6 How voltage, current, and resistance relate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 14.7 An analogy for Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.8 Power in electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 14.9 Calculating electric power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 14.10Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 14.11Nonlinear conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 14.12Circuit wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 14.13Polarity of voltage drops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 14.14What are ”series” and ”parallel” circuits? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 14.15Simple series circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 14.16Simple parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 14.17Power calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 14.18Correct use of Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 14.19Conductor size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 14.20Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 14.21Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 15 Magnets and Electromagnetism 287 15.1 Permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 15.2 Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 15.3 Magnetic units of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 15.4 Electromagnetic induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 15.5 AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 15.6 Measurements of AC magnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 vi 16 Electronics 314 16.1 capacitive and inductive circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 16.1.1 A capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 16.1.2 An inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 16.2 filters and signal tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 16.3 active circuit elements, diode, LED and field effect transistor, operational amplifier 315 16.3.1 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 16.3.2 LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 16.3.3 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 16.3.4 The transistor as a switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 16.4 principles of digital electronics logical gates, counting circuits . . . . . . . . . . . 331 16.4.1 Electronic logic gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 16.5 Counting circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 16.5.1 Half Adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 16.5.2 Full adder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 17 The Atom 334 17.1 Models of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 17.2 Structure of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 17.3 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 17.4 Energy quantization and electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 17.5 Periodicity of ionization energy to support atom arrangement in Periodic Table . 335 17.6 Successive ionisation energies to provide evidence for arrangement of electrons into core and valence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 17.7 Bohr orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 17.8 Heisenberg uncertainty Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 17.9 Pauli exclusion principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 17.10Ionization Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 17.11Electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 17.12Valency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 17.13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 18 Modern Physics 341 18.1 Introduction to the idea of a quantum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 18.2 The wave-particle duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 18.3 Practical Applications of Waves: Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . 342 19 Inside atomic nucleus 344 19.1 What the atom is made of . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 19.2 Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 19.2.1 Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 19.2.2 Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 19.2.3 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 19.3 Nuclear force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 19.4 Binding energy and nuclear masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 19.4.1 Binding energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 19.4.2 Nuclear energy units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 19.4.3 Mass defect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 19.4.4 Nuclear masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 vii 19.5 Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 19.5.1 Discovery of radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 19.5.2 Nuclear α, β, and γ rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 19.5.3 Danger of the ionizing radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 19.5.4 Decay law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 19.5.5 Radioactive dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 19.6 Nuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 19.7 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 19.7.1 Geiger counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 19.7.2 Fluorescent screen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 19.7.3 Photo-emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 19.7.4 Wilson’s chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 19.7.5 Bubble chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 19.7.6 Spark chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 19.8 Nuclear energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 19.8.1 Nuclear reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 19.8.2 Fusion energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 19.9 Elementary particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 19.9.1 β decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 19.9.2 Particle physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 19.9.3 Quarks and leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 19.9.4 Forces of nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 19.10Origin of the universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 A GNU Free Documentation License 381 viii Part I Physics 1