课件15张PPT。5.能量量子化 一、热辐射
1.热辐射:
(1)定义:一切物体都在辐射_______,这种辐射与物体
的_____有关,叫作热辐射。
(2)热辐射的特点:辐射强度按_____的分布情况随物体
的_____而有所不同。电磁波波长温度温度2.黑体:
(1)定义:能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不
发生反射的物体。
(2)特点:
①黑体只向外_____电磁波,不_____电磁波。
②黑体辐射电磁波的强度按_____的分布只与它的
_____有关。辐射反射波长温度3.热辐射的原因:物体中存在着不停运动的带电微粒,
带电微粒的_____会产生变化的_______,从而产生电磁
_____。振动电磁场辐射二、能量子1.能量子:
(1)德国物理学家_______最早提出量子假说,开创了量
子理论的新时代。普朗克(2)量子说内容:
①振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε
的_____倍。E=nε(n=1,2,3,…)
②辐射是由一份份的能量组成的,就像物质是由一个个
原子组成的一样。一份能量就是一个_______,能量子
的能量ε与频率ν_______。即ε=hν,式中h为
___________,h=6.626070×10-34 J·s。能量子成正比普朗克常量整数2.光子说:
(1)爱因斯坦认为_______本身就是不连续的。
(2)光本身就是由一个个不可分割的_______组成的,频
率为ν的光的能量子为____,h为普朗克常量。电磁场能量子hν三、能级1.定义:原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值
叫作_____。能级2.能级跃迁:
(1)通常情况下,原子处于能量最低的状态,这是
_________。
(2)把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作
_____。最稳定的跃迁(3)处于高能级的原子,自发地向低能级跃迁时_____光
子,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___。放出差3.原子光谱:由于原子的_____是分立的,所以放出的光
子的_____也是分立的,因此原子的_________只有一些
分立的亮线。能级能量发射光谱温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 热辐射的特点
1.一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
2.黑体辐射的实验规律:
(1)温度一定时,黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。
(2)随着温度的升高。
①各种波长的辐射强度都有增加;
②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
3.辐射强度与波长关系图像:
4.电磁理论对黑体辐射理论解释遇到的困难:
当波长趋于零时,辐射强度变为无穷大,在物理学中称它为“紫外灾难”。电磁理论解释黑体辐射的实验规律遇到了严重的困难。
【思考·讨论】
(1)一般材料的物体和黑体辐射电磁波的情况有什么不同呢? (物理观念)
提示:一般材料的物体辐射电磁波的情况除与温度有关,还与材料的种类和表面状况有关,而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。
(2)只有高温时才可以发生热辐射吗? (物理观念)
提示:热辐射不一定要高温,任何温度的物体都发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。
【典例示范】
(多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知 ( )
A.随温度升高,各种波长的辐射强度都增加
B.随温度降低,各种波长的辐射强度都增加
C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
【解析】选A、C、D。由题图可知,随温度升高,各种波长的辐射强度都增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,当温度降低时,上述变化都将反过来,故A、C、D正确,B错误。
【素养训练】
1.(多选)关于对热辐射的认识,下列说法正确的 ( )
A.温度越高,物体辐射的电磁波越强
B.冷的物体只吸收电磁波
C.辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关,与材料的种类及表面状况无关
D.常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色
【解析】选A、D。一切物体都在不停地向外辐射电磁波,且温度越高,辐射的电磁波越强,A正确,B错误;选项C是黑体辐射的特性,C错误;常温下看到的不透明、非发光物体的颜色是反射光的颜色,D正确。
2.关于黑体及黑体辐射,下列说法正确的是 ( )
A.黑体是真实存在的
B.普朗克引入能量子的概念,得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好,并由此开创了物理学的新纪元
C.随着温度升高黑体辐射的各波长的强度有些会增强,有些会减弱
D.黑体辐射无任何实验依据
【解析】选B。黑体并不是真实存在的,故A错误;普朗克引入能量子的概念,得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好,并由此开创了物理学的新纪元,故B正确;随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,故C错误;黑体辐射是有实验依据的,故D错误。
【补偿训练】
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】选A。对黑体辐射电磁波的波长分布的影响因素是温度,A正确,B、C、D错误。
二 能量子和能级
1.能量子:
(1)振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,带电微粒辐射或吸收能量时也是以这个能量值为单位一份一份地进行,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)物体(带电微粒)辐射电磁波或者物体(带电微粒)吸收电磁波时,辐射或者吸收的能量也是以ε为单位一份一份地辐射或吸收的。E=nε,ε叫作能量子,简称量子,n为量子数,n只能取为正——能量的量子化。
(3)电磁波最小能量为ε=hν。(ν是电磁波的频率,h是普朗克常量,h=6.626
×10-34 J·s)
2.能量量子化:
(1)电子在可能轨道上运动时,虽然是变速运动,但它并不释放能量,原子是稳定的,这样的状态也称之为定态。
(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的,具有的能量也是不连续的,这样的能量值,称为能级,量子数n越大,表示能级越高。
(3)原子的能量包括:原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。
3.跃迁:原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定。
【思考·讨论】
(1)普朗克量子假说提出的背景是什么? (物理观念)
提示:经典电磁理论难以正确解释黑体辐射实验规律的情况下提出的。
(2)弹簧振子的能量、楼梯的台阶哪一个是连续的、哪一个是不连续的? (物理观念)
提示:弹簧振子的能量是连续的,楼梯的台阶是不连续的。
【典例示范】
氢原子在轨道半径r1=0.53×10-10 m运动时能量最低,称为基态,能量E1=
-13.6 eV。求氢原子处于基态时:
(1)电子的动能;
(2)原子的电势能;
(3)用波长是多少的光照可使其电离?
(4)电子在核外旋转的等效电流(已知电子质量m=9.1×10-31 kg)。
【解析】(1)设处于基态的氢原子核周围的电子速度为v1,则=
所以电子动能Ek1=m=
= eV≈13.6 eV。
(2)因为E1=Ek1+Ep1,
所以Ep1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV。
(3)设用波长为λ的光照射可使氢原子电离=0-E1
所以λ=-= m≈91.4 nm。
(4)等效的环形电流I=
由=mr1()2可得T=2π
所以I==,
代入数据得I=1.05×10-3A。
答案:(1)13.6 eV (2)-27.2 eV
(3)91.4 nm (4)1.05×10-3A
【素养训练】
1.(多选)下列关于氢原子能级叙述中正确的是 ( )
A.电子绕核运动有加速度,就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子,其电子做变速运动,但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是连续的
D.原子内电子的轨道是不连续的
【解析】选B、D。按照经典物理学的观点,电子绕核运动有加速度,一定会向外辐射电磁波,很短时间内电子的能量就会消失,与客观事实相矛盾,由能级和能量子理论可知选项A、C错误,B正确;原子内电子轨道是不连续的,D正确。
2.(多选)关于对普朗克能量子假说的认识,下列说法正确的是( )
A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C.能量子与电磁波的频率成正比
D.这一假说与现实世界相矛盾,因而是错误的
【解析】选B、C。普朗克能量子假说认为,能量存在某一个最小值,带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍,故A错误,B正确;能量子与电磁波的频率成正比,故C正确;能量子假说反映的是微观世界的特征,不同于宏观世界,并不是与现实世界相矛盾,故D错误。
【总结提升】能量子的有关问题
(1)对能量子的理解:物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电微粒向外辐射的,微粒的能量是不连续的,只能是hν的整数倍。
(2)能量子假说的意义:解决了“紫外灾难”的问题,破除了“能量连续变化”的传统观念。
3.(多选)下列有关于原子能级的说法中正确的是( )
A.原子处在具有一定能量的定态中,虽然电子做变速运动,但不向外辐射能量
B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应,而电子的可能轨道的分布是不连续的
C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,辐射(或吸收)一定频率的光子
D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率
【解析】选A、B、C。A、B、C三项其核心是原子定态概念的引入与能量跃迁学说的提出,也就是“量子化”的概念,原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应,是经典理论与量子化概念的结合,原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关,则A、B、C正确,D项错误。
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课堂检测·素养达标
1.光子的能量与其 ( )
A.频率成正比
B.波长成正比
C.速度成正比
D.速度平方成正比
【解析】选A。根据光子的能量的公式:?=hν=,可知,光子的能量与其频率成正比,与波长成反比,与速度无关。故A正确。
【补偿训练】
图为黑体辐射的强度与波长的关系图像,从图像可以看出,随着温度的升高,
则 ( )
A.各种波长的辐射强度都有减少
B.只有波长短的辐射强度增加
C.辐射电磁波的波长先增大后减小
D.辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
【解析】选D。由图像可以看出,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故D正确,A、B错误;随着温度的升高,黑体的辐射增强,波长变短,频率增大,故C错误。故选D。
2.关于黑体与黑体辐射,下列说法错误的是 ( )
A.黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射
B.黑体辐射电磁波的情况与温度无关,只与材料的种类及表面情况有关
C.黑体辐射随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.带电微粒辐射和吸收的能量,只能是某一最小能量值的整数倍
【解析】选B。黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁波,故A正确;黑体辐射电磁波的强度只与黑体的温度有关,故B错误;黑体辐射随着温度升高辐射增强且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故C正确;普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念,带电微粒辐射和吸收的能量,只能是某一最小能量值的整数倍,D正确。本题选错误的,故选B。
3.能正确解释黑体辐射实验规律的是 ( )
A.能量的连续经典理论
B.普朗克提出的能量量子化理论
C.以上两种理论体系任何一种都能解释
D.牛顿提出的能量微粒说
【解析】选B。根据黑体辐射的实验规律:随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都增加;另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故选项B正确。
4.首次提出“微观粒子的能量是量子化的”这一观念,与下列物理常量相关的
是 ( )
A.引力常量G
B.普朗克常量h
C.静电力常量k
D.阿伏加德罗常数NA
【解析】选B。首次提出“微观粒子的能量是量子化的”这一观念的是普朗克为了解释黑体的辐射现象,第一次提出了能量量子化理论,故B正确。
【补偿训练】
人眼对绿光最敏感,正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时,只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能觉察,普朗克常数为h=6.63×10-34 J·s,光速为3.0×108 m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是( )
A.2.3×10-18 W B.3.8×10-19 W
C.7.0×10-10 W D.1.2×10-18 W
【解析】选A。绿光光子能量:?=hν==3.8×10-19 J,每秒钟最少有6个绿光的光子射入瞳孔,所以:P==2.3×10-18 W,故A正确,B、C、D错误。
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课时素养评价 二十
能量量子化
(15分钟 30分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.关于对黑体的认识,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温度有关,与材料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
【解析】选C。黑体能100%地吸收入射到其表面的电磁波,黑体不一定是黑色的,故A错误;一般物体的辐射除与温度有关外,还和物体的材料及表面状态有关,而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关,故B错误,C正确;如果在一个空腔壁上开一个小孔,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,这个小孔就成了一个绝对的黑体,故D错误。故选C。
2.以下宏观概念中,哪些是“量子化”的 ( )
A.物体的长度 B.人的个数
C.物体的动能 D.物体所受的重力
【解析】选B。人的个数是“量子化”的;而物体的长度、物体的动能以及物体所受的重力,都不是“量子化”的,故B正确,A、C、D错误。
3.白光是由各种成分的单色光复合而成的,在真空中从红光到紫光波长依次减小。则下列说法中正确的是 ( )
A.红光的能量比紫光小
B.红光光子的能量比紫光光子的能量大
C.红光的频率比紫光小
D.温度升高,物体辐射的紫光增强、辐射的红光减弱
【解析】选C。因为紫光的频率大于红光,根据?=hν知,红光的光子能量比紫光的光子能量小,故B错误,C正确;红光光子的能量小于紫光,但是光子个数不能确定,故红光的能量不一定比紫光小,故A错误;温度升高,物体辐射的紫光增强、辐射的红光也增强,故D错误。
4.一个处于基态的氢原子吸收光子后,跃迁到另一定态,下列说法中正确的
是 ( )
A.电子绕原子核运动的动能将会变大
B.氢原子能量将会变小
C.吸收光子属于紫外线,发出的光子可能含有可见光
D.向低能级跃迁时,发出光子的频率一定等于吸收光子的频率
【解析】选C。基态氢原子吸收光子后,半径变大,由k=m,得出:Ek=,即电子的动能减小,故A错误;氢原子吸收光子发生跃迁至另一定态,氢原子能量变大,故B错误;紫外线的频率大于可见光的频率,氢原子吸收的光子属于紫外线,则向低能级跃迁时发出的光子可能含有可见光,故C正确;因基态与激发态能级差大,由基态跃迁时,可以跃迁到不同的激发态,向基态跃迁过程中可直接跃迁至基态,发出光子的频率等于吸收光子的频率,如果不是直接跃迁至基态,则发出光子的频率小于吸收光子的频率,故D错误。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.在“焊接”视网膜的眼科手术中,所用激光的波长6.4×10-7 m,每个激光脉冲的能量1.5×10-2 J。求每个脉冲中的光子数目。(已知普朗克常量h=6.63×
10-34 J·s,光速c=3×108 m/s,计算结果保留一位有效数字)
【解析】光子的能量为:?=hν== J=3.1×10-19 J
每个脉冲中的光子数目为:
n===5×1016个
答案:5×1016个
(10分钟 20分)
6.(6分)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔,小孔可看作黑体,由小孔的热辐射特征,就可以确定炉内的温度,如图所示是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图像,则下列说法正确的是 ( )
A.T1>T2
B.T1C.随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较长方向移动
D.随着温度的升高,黑体的辐射强度都有所降低
【解析】选A。不同温度的物体向外辐射的电磁波的波长范围是不相同的,温度越高物体向外辐射的辐射强度越大,辐射强度极大值向波长较短方向移动,所以T1>T2,故A正确,B错误;由题图可知,随温度的升高,相同波长的光辐射强度都会增加;同时最大辐射强度向左侧移动,即向波长较短的方向移动,故C错误;随着温度的升高,各种波长的黑体辐射的强度都有增加,故D错误。故选A。
【补偿训练】
普朗克在研究黑体辐射的基础上,提出了量子理论,下列关于描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体实验规律的是 ( )
【解析】选D。黑体辐射以电磁波的形式向外辐射能量,温度越高,辐射强度越大,故A、C错误;黑体辐射的波长分布情况随温度变化而改变,温度越高,辐射的电磁波的波长越短,辐射强度的极大值向波长缩短的方向移动,故B错误,D正确。故选D。
7.(14分)太阳光垂直射到地面上时,地面上1 m2接收的太阳光的功率为1.4 kW,其中可见光部分约占45%。(普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,计算结果均保留2位有效数字)
(1)假如认为可见光的波长约为0.55 μm,日、地间距离R=1.5×1011 m,估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少?
(2)若已知地球的半径为6.4×106 m,估算地球接收的太阳光的总功率。
【解题指南】通过地球上的辐射解题方法
(1)根据能量守恒求出地面上每平方米的面积上每秒接收的光子数为n,从而得出以太阳为球心,以日地间距离R为半径的大球面所接收的光子数,确定出太阳每秒辐射出的可见光光子数;
(2)地球背着阳光的半个球面没有接收到太阳光,地球向阳的半个球面面积也不都与太阳光垂直,接收太阳光辐射且与太阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆平面的面积,根据P地=P·πr2求出地球接收太阳光的总功率。
【解析】(1)设地面上垂直阳光1 m2面积上每秒接收的可见光光子数为n,则有Pt0×45%=n·h
解得n=1.75×1021个。
设想一个以太阳为球心,以地、日为半径的大球包围着太阳,大球面接收的光子数即等于太阳辐射的全部光子数。则所求可见光光子数N=n·4πR2=1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2=4.9×1044个。
(2)地球背着阳光的半个球面没有接收太阳光。地球向阳的半个球面也不都与太阳光垂直。接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆的面积。则地球接收的太阳光的总功率为P地=P·πr2=1.4×3.14×(6.4×
106)2 kW=1.8×1014 kW。
答案:(1)4.9×1044个 (2)1.8×1014 kW
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