高中物理选修3-5：17.1能量量子化LI.ppt

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1、材料鉴赏：19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律-能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到顶峰了。1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”(开尔文)但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴

2、朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，”这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。普朗克量子力学的诞生 相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢？量子力学相对论微观领域高速领域经典力学思考与讨论1:在火炉旁边有什么感觉?投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会有是什么颜色？实验：加热铁 固体或液体，在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化1400K 800K1000K1200K 例如

3、：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色一、热辐射现象 无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及波长的分布都随温度而变化。例如，铁块随着温度升高：现象：表明：辐射强度及波长的分布随温度变化；随着温度升高，电磁波的短波成分增加。不发光 暗红赤红橘红黄白色注意：激光、日光灯发光不是热辐射热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。思考与讨论2：一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？为什么？二、黑体与黑体辐射 物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波。如果一个物体在任何温度下，对任

4、何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。不透明材料制成的不透明材料制成的带小孔的空腔。带小孔的空腔。说明：黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。三、黑体辐射的实验规律 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。1、测量黑体辐射的实验原理图：加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。T平行光管 三棱镜T。2、辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的

5、各种波长的总辐射能，称为辐射强度。发现：随温度的升高各种波长的辐射强度都在增加；绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短波方向移动辐射强度辐射强度维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难oo实验值实验值/mm11223344556677883、经典物理学所遇到的困难解释实验曲线一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云11）维恩的半经验公式：）维恩的半经验公式：短波符合；长波不符合短波符合；长波不符合22）瑞利）瑞利-金斯公式：金斯公式：长波符合；短波荒唐长波符合；短波荒唐-紫外灾难紫外灾难 普朗克能量子假说辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，

6、它们的能量是某一最小能量的整数倍量是某一最小能量的整数倍 E=nE=n nn=1,2,=1,2,叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，nn为量子数，它只取正整数为量子数，它只取正整数能量量子化能量量子化 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量 对于频率为 的谐振子，最小能量为：=h h=6.62610-34Js 普朗克常量 四、能量子：超越牛顿的发现 辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能

7、量（称为能量子）的整数倍，即：1，2，3，.n。n为正整数，称为量子数。能量量子 量子经典 经典意义：（阅读书本p29）Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。黑体辐射公式：1900年10月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式M.Planck 德国人 18581947(m)(m)994477普朗克实验值1122335

8、56688 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信 h 的引入确实反映了新理论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和【例1】下列叙述正确的是（）A一切物体都在辐射电磁波 B一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 D黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波ACD【例2】炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理?答案 根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见

9、光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度【例3】对应于3.4l0-l9J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？解析 根据公式=h和=c/得=/h=5.131014Hz=c/=5.8510-7Hz 5.1310-14Hz的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为5.85l07m。黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？物理难题：18881888年，霍瓦年，霍瓦(Hal

10、lwachs)(Hallwachs)发现一个带负电的金属发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电板被紫外光照射会放电。近近1010年以后，年以后，18971897年年，J.ThomsonJ.Thomson发现了电子发现了电子，此时，此时，人们认识到那就是从人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应相应的效应叫做光电效应。人们本。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？释

11、会出现什么结果？问题:既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。为何我们看不到灯的亮度发生变化？结论：结论：11、在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：、在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的物体的运动是连续的,能量变化是连续的能量变化是连续的,不必考虑量不必考虑量子化子化22、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化问题与结论普朗克理论普朗克理论:能量在发射和吸收的时候，不是连能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是续不断，而是分成一份一份的。能量是hh 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=hE=h 19

12、00年12月14日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地破除了”能量连续变化”的传统观念,成为现代物理学思想的基石之一,为我们打开了量子之门,就在1900年，一个名叫爱因斯坦(AlbertEinstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效应.能量量子化:物理学的新纪元就在那一年就在那一年,在丹麦，在丹麦，1515岁的玻尔岁的玻尔(NielsBohr)(NielsBohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。正在哥本哈根的中学里读书。

13、玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。校有名。1313年后他提出了原子轨道量子化年后他提出了原子轨道量子化.德布罗意德布罗意(LouisdeBroglie)(LouisdeBroglie)当时当时88岁，还正在岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波.再过再过1212个月，维尔兹堡个月，维尔兹堡(Wurzberg)(Wurzberg)的一位著名的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地

14、看着他的宝贝儿子小海希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡森堡(WernerKarlHeisenberg)(WernerKarlHeisenberg)呱呱坠地。呱呱坠地。以上人物都将在我们的课文中出现以上人物都将在我们的课文中出现.请同学们请同学们记住他们的名字记住他们的名字.能量量子化:物理学的新纪元课堂练习2.在白天,对面楼房的窗户看上去是黑色的，而外墙面是亮的，为什么?3.光源发出的光能是一份一份的，那么每份光能是怎样传到你的眼睛里呢？是均匀分布在两只眼睛里？还是每份只传给一只眼睛上的某一处呢？请你与同桌讨论一下,说说你的猜想.1.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍。那么红光的

15、最小能量比紫光的最小能量大还是小?联想 根据物理课本知识，物体的所带电量是基本电荷的整数倍，但现代科学发现：有的基本粒子所带电量是基本电荷的分数倍。普朗克提出了能量是最小能量h 的整数倍，那么该最小能量还能再分吗？如果能分，又是按怎样的规律分呢?1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。能量子假说的提出，给经典物理学打开了一个缺口，为量子物理学安放了一块奠基石，宣告量子物理学的诞生。能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不

16、予接受。量子论的出现，物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能量子假说是不彻底的，他的理论还是以承认电磁波本身的连续

17、性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于振子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。面对量子论的发展与成功，以及科学界的批评，普朗克最终放弃了倒退的立场。1920年，在诺贝尔奖颁奖仪式上，他作了题为量子理论的创立和当前的发展状况的演讲，演讲中他说：“我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明，这句名言是：人要奋斗就要有错误。”