2013人教版选修(3-5)《能量量子化：物理学的新纪元》课件.ppt

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1、量子物理引言量子物理引言 到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而又严密的热力学

2、和统计力学，并且建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学，并且应用越来越广泛。应用越来越广泛。由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。更是一项辉煌的成就。因此当时许

3、多著名的物理学家都认为物理学的基本因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开尔文在一篇于过重要贡献的权威人物开尔文在一篇于19001900年发表的年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零本建成的科

4、学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了星的修补工作就行了”，不过接着又指出：，不过接着又指出：“但是在但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊是否定绝对时空观的迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验。正是这两。正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的

5、盲目乐观情绪，为后来建立近时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。质的基本单元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚

6、的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱纪初期，建立起了近代物理的两大支柱-量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子物理学。称为量子物理学。普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢？这两朵乌云到底

7、是什么回事呢？经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域我们这节课就来体验物理学新纪元的我们这节课就来体验物理学新纪元的到来到来能量量子化的发现能量量子化的发现波粒二象性波粒二象性第第1 1节节 能量量子化能量量子化:物理学的新纪元物理学的新纪元思考与讨论思考与讨论1:在火炉旁边有什么感觉在火炉旁边有什么感觉?任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度温度有关，有关，故称为故称为热辐射热辐射。室温时室温时波长较长的电磁波波长较长的电

8、磁波高温高温波长较短的电磁波波长较短的电磁波热辐射的主要成分热辐射的主要成分:无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。能量及其按波长的分布都随温度而变化。一、热辐射一、热辐射投在炉中的铁块开始是什么颜色投在炉中的铁块开始是什么颜色?过一会有是过一会有是什么颜色什么颜色?固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K，如太阳、火炬、点亮的灯，这些光源发如太阳、火炬、点亮的灯，这些光源发出的光的颜色是由光波的频率出的光的颜色是由光波的频率(或波长或波长)决决定的。

9、而大多数物体本身并不发光，我们定的。而大多数物体本身并不发光，我们能看到它们，是因为它们能反射其他光源能看到它们，是因为它们能反射其他光源发出的光线，它们的颜色是由反射光的频发出的光线，它们的颜色是由反射光的频率决定的。由于率决定的。由于我们周围的物体具有反射我们周围的物体具有反射不同频率的光的本领，于是就使物体呈现不同频率的光的本领，于是就使物体呈现各种不同的颜色，形成了五彩缤纷、绚丽各种不同的颜色，形成了五彩缤纷、绚丽多彩的美妙世界多彩的美妙世界热辐射解释：热辐射解释：大量带电粒子的无规则热大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各

10、自平衡位置附近以各种不同离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒频率作无规则的微振动，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，形成连续的外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。电磁波谱。除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和射外界射来的电磁波。不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。反射电磁波的能力是不一样的。有没有能完全吸收电磁波的物体呢？有没有能完全吸收电磁波的物体呢？看到书本图看到书本图17.1-1思考：思考：射入空腔的

11、光能反射出来吗？能看清里面的形码射入空腔的光能反射出来吗？能看清里面的形码?二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长定义：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。物体为绝对黑体，简称黑体。用不透明材料制成一空心容器，用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔壁上开一小孔，可看成可看成绝对黑体绝对黑体为什么要研究黑体呢？为什么要研究黑体呢？因为一般物体的热辐射除了与物体的温度因为一般物体的热辐射除了与物体的温度有关外有关外,还与材料的种类、表面状况有关

12、，还与材料的种类、表面状况有关，而而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只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；而且黑体材料在加热与黑体的温度有关；而且黑体材料在加热到同样温度时，发出的热辐射比其他物体到同样温度时，发出的热辐射比其他物体强，强，因此黑体是用来建立热辐射定律的理因此黑体是用来建立热辐射定律的理想辐射体。为了理论研究的需要，基尔霍想辐射体。为了理论研究的需要，基尔霍夫提出了绝对黑体的理想模型，从而促进夫提出了绝对黑体的理想模型，从而促进了黑体辐射研究。了黑体辐射研究。生活中有黑体吗？生活中有黑体吗？说明：说明：黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，

13、远处的窗口等可近似看作黑体。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。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。三、黑体辐射的实验规律三、黑体辐射的实验规律1）测量黑体辐射的实验原理图：）测量黑体辐射的实验原理图：2）辐射强度：）辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的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。总辐射能，称为辐射强度。问题问题1 1：从：从1100K1100K图线看起，图线的起伏说明了什么图线看起，图线的起伏说明了什么问题问题说明在相同的加热温度下，黑体辐射的强度是变说明在相同的加热温度下，黑体

14、辐射的强度是变化的，但不与波长成正比，中间有一个峰值化的，但不与波长成正比，中间有一个峰值问题问题2 2：由图线可以看：由图线可以看出辐射强度与温度有什么关系？出辐射强度与温度有什么关系？不同的温度辐射强度不同，不同的温度辐射强度不同，温度越高，各种波长的辐射强度都有增加。温度越高，各种波长的辐射强度都有增加。问题问题3 3：辐射强度的极大值是怎样变化的？：辐射强度的极大值是怎样变化的？温度越高，辐射强度的极大值越大；温度越高，辐射强度的极大值越大；辐射强度的极大值随温度升高向波长较短的方向移动辐射强度的极大值随温度升高向波长较短的方向移动1700k1500k1300k实验发现：随温度的升高实

15、验发现：随温度的升高各种波长的辐射强度都在增加；各种波长的辐射强度都在增加；当绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短波当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。方向移动。3)维恩位移定律维恩位移定律4)经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难解释实验曲线解释实验曲线1）维恩的半经验公式：）维恩的半经验公式：公式适合于短波波段，公式适合于短波波段，长波波段与实验偏离。长波波段与实验偏离。公式只适用于长波段公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符而在紫外区与实验不符,-紫外灾难紫外灾难2）瑞利）瑞利-金斯公式金斯公式玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 k=1.380658 10-23J

16、/K实验实验瑞利瑞利-琼斯线琼斯线维恩线维恩线T=1646k实验实验瑞利瑞利-琼斯线琼斯线维恩线维恩线T=1646k普朗克线普朗克线普朗克的拟合结果普朗克的拟合结果四、能量子：超越牛顿的发现四、能量子：超越牛顿的发现 普朗克能量子假说普朗克能量子假说*辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐辐射黑体分子、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。相应的能量不象经典物理学所允许的可具有任

17、意值。相应的能量是某一最小能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：（称为能量子）的整数倍，即：,1,2,3,.n.n为正整数，称为为正整数，称为量子数。量子数。*振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量 h=6.626 10-34焦耳焦耳。-普朗克常数普朗克常数 四、能量子：超越牛顿的发现四、能量子：超越牛顿的发现*对于频率为对于频率为 的谐振子，最小能量为：的谐振子，最小能量为：=h (m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值3.3.能量子假说：能量子假说：能量子假说：能量子假说：所所谓谓能能量量子子就就是是能能量量的的

18、最最小小单单元元。微微观观领领域域里里能能量量的的变变化化总总表表现现为为电电磁磁波波的的辐辐射射与与吸吸收收，不不同同频频率率的的电电磁磁波波其其能能量量子的值不同，表达式为：子的值不同，表达式为：E=E=hh 其其中中，是是电电磁磁波波的的频频率率，h是是一一个个普普遍遍适适用用的的常常量量，称称作作普朗克常量普朗克常量普朗克常量普朗克常量。由实验测得。由实验测得h 6.631034Js。4.4.能量的量子化能量的量子化能量的量子化能量的量子化 在在微微观观领领域域里里能能量量的的不不连连续续变变化化，即即只只能能取取分分立立值值的的现现象，叫做能量的量子化。象，叫做能量的量子化。普普普普

19、朗朗朗朗克克克克的的的的能能能能量量量量子子子子假假假假说说说说不不不不仅仅仅仅解解解解决决决决了了了了黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射的的的的理理理理论论论论困困困困难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。第三节第三节第三节第三节 量子化现象量子化现象量子化现象量子化现象意意义义：Planck抛抛弃弃了了经经典典物物理理中中的的能能量量可可连连续续变变化化、物物体体辐辐射射或或吸吸收收的的能能量量可可以以为为任任意意值值的的旧旧观观点点，提提出出了了能能量量子子、物物体体辐辐射射或或吸吸收收能能量

20、量只只能能一一份份一一份份地地按按不不连连续续的的方方式式进进行行的的新新观观点点。这这不不仅仅成成功功地地解解决决了了热热辐辐射射中中的的难难题题，而而且且开开创创物物理理学学研研究究新新局局面面，标标志志着着人人类类对对自自然然规规律律的的认认识识已已经经从从从从宏宏观观领领域域进进入入微微观观领领域域，为为量量子子力力学学的的诞诞生奠定了基生奠定了基础础。普朗克后来又为这种与经典物理格格不入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，他才坚定地相信告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映的引入确实反映了新理论的本质。了新理论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖年他荣获诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和他的墓碑上只刻着他的姓名和