物理人教版2019必修第三册13.5能量量子化（共42张ppt）

(共42张PPT)
§13.5 能量量子化
第十三章 电磁感应与电磁波初步
引入新课:
很多地方用红外热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少,你知道其中的道理吗
探究：对辐射的理解
提示：
根据热辐射规律可知，人的体温的高低直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度.因此通过监测被测者辐射的红外线的情况就可以知道这个人的体温.
1、黑体与黑体辐射
热辐射
固体或液体，在任何温度下都在发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
1400
K
800
K
1000
K
1200
K
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。
黑体模型
研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
2. 黑体辐射实验规律
一般物体与黑体的比较
热辐射特点 吸收、反射特点
一般物体 辐射电磁波的情况与温度有关,与材料的种类及表面状况有关 既吸收又反射,其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
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 完全吸收各种入射电磁波,不反射
1.对黑体的认识,下列说法正确的是（ ）
A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与黑体的温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关
C.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,与材料的种类及表面状况无关
D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体
练一练
C
解析：
由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的,所以选项A错误;由于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,所以选项B错误,选项C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此是小孔成了一个黑体,而不是空腔成了一个黑体,所以选项D错误.
答案：C
2.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射实验规律的是（ ）
练一练
解析：
黑体辐射规律:随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都有增加,另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.据此规律可知A图正确.
答案：A
A
3.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
练一练
ACD
解析：
根据热辐射的定义知,选项A正确;根据热辐射和黑体辐射的特点知,一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料种类和表面状况有关,而黑体辐射只与黑体的温度有关,故选项B错误,选项C正确;根据黑体的定义知选项D正确.
答案：ACD
经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线
1）维恩的半经验公式：
公式适合于短波波段，长波波段与实验偏离。
公式只适用于长波段, 而在紫外区与实验不符, ----紫外灾难
2）瑞利----金斯公式:
玻尔兹曼常数 k =1.380658 10-23J/K
实验
瑞利-琼斯线
维恩线
T=1646k
实验
瑞利-琼斯线
维恩线
T=1646k
普朗克线
普朗克的拟合结果
能量子：超越牛顿的发现
能量子 超越牛顿的发现
ε = h ν
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量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1 ε, 2 ε, 3 ε, ... n ε. n为正整数，称为量子数。
能量
量子
经典
h=6.626×10-34J.s
普朗克的量子化假设的意义
(1)普朗克的能量子假设,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史上一个重大转折点.
(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征.
λ(μm)
1 2 3 5 6 8 9
4
7
实验值
辐射强度
普朗克
4.对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是（ ）
A.温度　　　　 B.材料
C.表面状况 D.以上都正确
解析：根据黑体辐射电磁波的波长分布的决定因素知,其只与温度有关.
A
练一练
5.普朗克常量是自然界的一个基本常数,它的数值是 (　 )
A.6.02×10-23 mol B.6.625×10-3 mol·s
C.6.626×10-34 J·s D.1.38×10-16 mol·s
解析：
普朗克常量是一个定值,由实验测得它的精确数值为6.626×10-34 J·s,在记忆时关键要注意它的单位.
C
练一练
6.关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有 (　　)
A.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加
B.随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
C.黑体热辐射的强度与波长无关
D.黑体辐射无任何实验规律
解析：
黑体辐射的强度与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,A正确;随着温度的升高,黑体辐射的极大值向波长较短的方向移动,B正确;黑体辐射的强度与波长有关,C错误;黑体辐射有实验规律,D错误.
AB
练一练
7.红、橙、黄、绿四种单色光中,光子能量最小的是( 　)
A.红光 B.橙光
C.黄光 D.绿光
解析：
根据爱因斯坦的光子说,光子的能量ε=hν,h为普朗克常量,说明光子的能量与光的频率成正比,而四种单色光中,绿光的频率最大,红光的频率最小,故光子能量最小的是红光,A项正确.
A
练一练
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从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(一)
原子是稳定的
电子绕核运动将不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定．
+
经典理论认为
事实
+
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(二)
由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率，连续变化，原子光谱应该是连续光谱
经典理论认为
事实
原子光谱是不连续的线状谱
玻尔的原子模型
以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。
玻尔
玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说1:轨道量子化
+
分 立 轨 道
针对原子核式结构模型提出
围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。
且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射
+
m
r
v
玻尔原子理论的基本假设
原子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态．玻尔指出，原子的不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也量子化的
（三个重要假设）
假说2:能量量子化
针对原子的稳定性提出
能级：量子化的能量值
定态：原子中具有确定能量的稳定状态
E４
1
2
3
4
5
E１
E３
E２
E５
　量子数
基态：能量最低的状态（离核最近）
激发态：其他的状态
— 基态
激发态
1.能量量子化
能级图
+
m
r
v
轨道图
1
2
3
1
基
态
激发态
跃迁
（电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加）
吸收光子
（电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少）
辐射光子
2.光子的发射和吸收
原子从Em能级跃迁到En能（ Em>En ）时，会放出能量为hv的光子，其能量由前后能级差决定：
+
v
En
Em
玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说3:频率条件（跃迁假说）
针对原子光谱是线状谱提出
低能级
高能级
跃迁
吸收光子
辐射光子
3.光子的发射和吸收
玻尔从上述假设出发，利用经典理论和量子理论结合，计算出了氢的电子的轨道半径和对应的能量值（能级）．
氢原子能级
4.玻尔理论对氢光谱的解释
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
4
1
3
2
∞
n
E/eV
1
2
3
4
5
∞
n
量子数
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E /eV
光子使原子跃迁:
光子的能量只有等于能级差时，才能被吸收
要使处于基态的氢原子从基态跃迁到n=4激发态，则照射光的频率应为多少？频率高一点可以吗？
１
∞
n
５
４
３
２
- 0.85
-13.6
0
- 0.54
-1.51
- 3.4
E/eV
巴耳末系
赖曼系
帕邢系
思考:在具有下列能量的光子中,能被基态氢离子吸收而发生跃迁的是( )
A、13.6eV
B、12.75eV
C、 10ev
D、1.9eV
玻尔理论成功解释了氢光谱的规律,甚至预言了氢原子的其他谱线系
氢原子的能级图
布喇开系
玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问题，但是也有它的局限性。
在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念
同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律
除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难
①量子化条件的引进没有适当的理论解释
②氦原子光谱
严格讲玻尔理论是经典理论加上量子化条件的混合物，使得它无法解释复杂原子的光谱现象。
玻尔模型的局限性
怎样修改玻尔模型？
思想：必须彻底放弃经典概念？
关键：用电子云概念取代经典的轨道概念
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图象就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云。
电子在某处单位体积内出现的概率——电子云
玻尔模型的局限性
课堂小结
提出假说：玻尔的原子结构假说：
1）轨道量子化假说
2）能量量子化假说
3）跃迁假说：
提出问题：原子的稳定性、原子光谱是线状谱
验证：氢原子光谱 弗兰克—赫兹实验
牛刀小试
1．把“能量子”概念引入物理学的物理学家是（ ）
A．托马斯·杨
B．普朗克
C．麦克斯韦
D．赫兹
B
牛刀小试
2．以下说法中正确的是( )
A．一切物体都在进行着热辐射
B．只有高温物体才进行热辐射
C．严冬季节里物体不发生热辐射
D．以上说法都有可能
A
牛刀小试
3．下列关于热辐射和黑体辐射的说法不正确的是（　　）
A．一切物体都在辐射电磁波
B．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
C．黑体辐射强度的极大值跟温度无关
D．一般物体辐射电磁波的强度与温度有关
C
牛刀小试
4．普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一，如图所示为黑体辐射的实验规律图，下列说法正确的是（　　）
A．黑体热辐射的强度与波长无关
B．黑体热辐射只能是高温下才能进行，低温下不辐射
C．一定温度下，黑体辐射强度随波长的分布有一个极
大值
D．从图象看出随着温度的升高，各种波长的辐射强度
是先增加后减小
C
牛刀小试
5．关于对黑体的认识，下列说法正确的是（　　）
A．黑体是黑色的，且其自身辐射电磁波
B．黑体辐射电磁波的强度与材料的种类及表面状况有关
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关
D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体
C
6．仔细观察氢原子的光谱，发现它只有几条分离的不连续的亮线，其原因是(　　)
A．氢原子只有几个能级
B．氢原子只能发出平行光
C．氢原子有时发光，有时不发光
D．氢原子辐射的光子的能量是不连续的，所以对应的光的频率也是不连续的
D
牛刀小试