高中物理选修3-5人教版17.1能量量子化（共25张ppt）

(共25张PPT)
第
1
节：能量量子化
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:
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，……”
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
这两朵乌云是指什么呢？
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。
黑体辐射实验
迈克尔逊-莫雷实验
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
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？
1.
概念：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
1400
K
800
K
1000
K
1200
K
例如：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
2.
原因：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率做无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。
3.
特点：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。
注意：
激光、日光灯发光不是热辐射。
直觉:
低温物体发出的是红外光；
炽热物体发出的是可见光；
高温物体发出的是紫外光。
4.
热辐射的主要成分：室温时，波长较长的电磁波；高温时，波长较短的电磁波。
5.
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。
向外发射的电磁波能量
=
从外界吸收的能量
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？
向远处观察打开的窗子近似黑色
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。
黑体模型
不透明材料
制成的带小孔的空腔
空腔上的小孔
二、黑体与黑体辐射
1.
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
2.
对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。
3.
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。
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。
研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础
三、黑体辐射的实验规律
平行光管
三棱镜
T
T
空
腔
单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。
特点：随温度的升高
①各种波长的辐射强度都在增加；
②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。
2.
辐射强度
3.
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
1)
维恩的半经验公式：
短波符合，长波不符合
2)
瑞利
─
金斯公式：
长波符合，短波荒唐
──
紫外灾难
维恩线
紫
外
灾
难
0
实验值
/μm
1
2
3
4
5
6
7
8
瑞利
─
金斯线
普朗克能量子假说
1.
辐射物体中包含大量振动着的带电
微粒，它们的能量是某一最小能量
的整数倍：E
=
nε
n
=
1，2，…
2.
ε
叫能量子，简称量子，n
为量子数，它只取正整数
—
能
量量子化；
3.
谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量；
4.
对于频率为
ν
的谐振子，最小能量为：ε
=
hν
h
=
6.626?10
─34
J·s
—
普朗克常量
能量
量子
经典
四、能量子：超越牛顿的发现
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
1858－1947
五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射
h
=
6.626?10
─34
J·s
维恩线
紫
外
灾
难
0
实验值
λ/μm
1
2
3
4
5
6
7
8
瑞利
─
金斯线
普朗克
h
=
6.626?10
─34
J·s
五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射
普朗克
能量量子化
─
物理学的新纪元
牛顿以来物理学最伟大的发现之一
跨出了真正说明物质世界量子性的第一步
爱因斯坦
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。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。
死后他的墓碑上只刻着他的姓名和
h
=
6.626?10
─34
J·s
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？
1.
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，能量变化是连续的，不必考虑量子化。
2.
在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。
1.
热辐射现象
2.
黑体与黑体辐射
黑体：吸收而不反射电磁波
3.
黑体辐射的实验规律
温度升高，辐射强度增加，强度的极大值向波长较短
的方向移动
4.
能量子：超越牛顿的发现
5.
普朗克能量子理论成功解释黑体辐射
ε
=hν
h=6.626?10-34J·s
——普朗克常量
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
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?
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。
3.
对应于3.4×l0
─19
J
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：根据公式
ε
=
hν
和
ν
=
c/λ
得
ν
=
ε/h
=
5.13×1014
Hz
λ
=
c/ν
=
5.85×10
─
7
m
5.13×10
─
14
Hz
的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，
其波长为
5.85×l0─7
m。