3.5 微观世界的量子化 课件（共24张PPT）——高中物理教科版（2019）必修第三册

(共24张PPT)
第三章 电磁场与电磁波初步
3.5微观世界的量子化
教科版（2019）高中物理必修第三册
目 录
1
2
3
4
新课导入
学习目标
新课讲解
经典例题
5
课堂练习
6
课堂小结
学习目标
1. 知道热辐射、黑体、黑体辐射的概念。
2. 了解普朗克的能量子假设。
3. 知道原子能级及能级跃迁理论。
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头了。
新课导入
于是，1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名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
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。
迈克尔逊-莫雷实验
一、波粒二象性
17世纪
牛顿主张微粒说，认为光是很小的高速运动的粒子流
惠更斯认为 光是一种波
19世纪初
光的干涉和衍射现象在实验中被观察到
麦克斯韦后来进一步说明光是一种电磁波
19世纪末
光电效应等现象被证明了光具有粒子性
爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说，他认为在空间中传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子。
发展历程
关于光的本性的讨论很早就开始了，在 17 世纪，牛顿主张微粒说，即光是很小的高速运动的粒子流，而惠更斯则认为那是一种波，当时他们都没有确切的证据证明自己的观点。
19 世纪初，光的干涉和衍射现象在实验中被观察到，而干涉和衍射现象是波动特有的现象，于是波动说占据了统治地位，后来麦克斯韦更进一步说明光是一种电磁波。但到了19 世纪末，包括光电效应等现象证明了光具有粒子性。爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说，他认为在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子。
波动和粒子，在宏观世界里是完全不同的 ：波是连续的，粒子是分离的。但光既具有波动性，又具有粒子性，可以说光既是电磁波，也是光子流，它是具有“波粒二象性”的电磁性物质。
光子的静止质量为零，也不带电，它只能以光速运动，它是一份一份的，但它具有波长和频率。波粒二象性并不只是光才有的特性，而是微观世界的共性。
实验已经证明电子、质子等实物粒子同样具有波动性。宏观物体的波动性我们检测不到。
波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。
微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
振动着的帯电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍例如，可能是ε或2ε、3ε…这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
和我们学习电荷数类似：只能是元电荷的整数倍。
微观
宏观
连续
分立的，量子化的
二、能量量子化
1.能量子定义
普朗克认为,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值 叫做能量子。
2.能量子大小
=h 其中 是电磁波的频率, h 称为普朗克常量---h=6.626×10-34J·s
(一般取h=6.63×10-34J·s)
3.能量的量子化
在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量不是连续的,只能取分立值,为能量子 的整数倍.即 E= n (n 叫做量子数)。
4.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;
(3)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。
数学家、哲学家莱布尼兹曾经说道：
“自然界不会突变。如果要对此提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，这就迫使我们去乞求神灵来解释自然现象了。间断性同科学格格不入。”
正是这样的信条使普朗克害怕。他对儿子说，
自己的发现要么是荒诞无稽的，要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。”
当然，一种新的思想，一种新的观念，要让人们接受，是需要时间的。最早认识到能量量子化概念的意义和正确性的是年轻的物理学家爱因斯坦。
5.爱因斯坦的光子概念
认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的这些能量子后来被叫作光子。
ε=hν
（光子能量）
一条光线
光子
微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级（energy level）。
分立轨道
1 2 3 4
E4
E3
E2
E1
定态
跃迁
E4
E3
E2
E1
三、能级
1、能级：各个定态的能量值，叫它的能级。
2、基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。
3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。
4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，辐射的光子的能量也是分立的，有确定的频率，所以原子光谱只有一些分立的亮线。
电子在能级间跳跃式变化的过程叫作跃迁
原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。
能级差越大，v越高。
20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。
核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到非富多彩的现代生活。
课堂练习
1.氦—氖激光器发出波长为633 nm的激光，当激光器的输出功率为1 mW时，每秒发出的光子数为(　　)
A．2.2×1015　
B．3.2×1015
C．2.2×1014
D．3.2×1014
B
课堂练习
2．按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知ra>rb，则在此过程中（ ）
A．原子要发出一系列频率的光子
B．原子要发出某一频率的光子
C．原子要吸收一系列频率的光子
D．原子要吸收某一频率的光子
B
课堂练习
3．对应于3.4×10-19的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？（普朗克常量h=6.63×10-34J·s，结果保留3位有效数字）
【答案】5.13×1014，5.85×10-7
【详解】能量子与频率的关系为E=hν；解得其电磁辐射的频率为
频率与波长的关系为
解得其电磁辐射的波长为
课堂小结
电磁波的发现及其应用
微观世界的量子化
电磁场
电磁波
电磁波谱
电磁波的应用
波粒二象性
能量量子化
既有波动性又有粒子性
感谢观看
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