171能量量子化.pptx

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1、1717世纪明确形成世纪明确形成了两大对立学说了两大对立学说牛顿牛顿惠更斯惠更斯微粒说微粒说波动说波动说1919世纪初证明了世纪初证明了波动说的正确性波动说的正确性由于波动说没有由于波动说没有数学基础以及牛数学基础以及牛顿的威望使得微顿的威望使得微粒说一直占上风粒说一直占上风1919世纪末光电效应现象使得世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在爱因斯坦在2020世纪初提出了世纪初提出了光子说：光具有粒子性光子说：光具有粒子性对光学的研究对光学的研究从很早就开始了从很早就开始了 第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性 1919世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成

2、功：在机械运动方面不用说，在分了很大的成功：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、气体子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的磁现象的MaxwellMaxwell方程方程。另外还找到了力、电、光、声另外还找到了力、电、光、声-等都遵等都遵循的规律循的规律-能量转化与守恒定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。利之中。他们认为物理学已经发展到头了。1900 1900年，在英国皇家学会的

3、年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家新年庆祝会上，物理学家开尔文开尔文勋爵作了展望新世纪的发言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：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，还有但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵两朵令人不安的令人不安的乌云乌云，”William Thomson,1st Baron Kelvin 科学的大厦已经基本完成，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后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。(开尔文开

4、尔文)这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验黑体辐射实验迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展后来的事实证明，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。雨，浇灌着两朵鲜花。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？这两朵乌云到底是什么回事呢？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经典经典力学力学第第1节节 能量量子化能量量子化1.1.在火炉旁边有什么感

5、觉在火炉旁边有什么感觉?2.2.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?思考与讨论思考与讨论1:1:1.1.概念：概念：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。与物体的温度有关，所以叫做热辐射。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 例如：铁块例如：铁块例如：铁块例如：铁块 温度温度温度温度 从看不出发光到从看不出发光到从看不出发光到从看不出发光到暗红暗红暗红暗红到到到到橙色橙色

6、橙色橙色到到到到黄黄黄黄白色白色白色白色一、热辐射一、热辐射 3.3.热平衡状态：热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸物体的温度恒定时，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。时得到的辐射称为平衡热辐射。2.2.特点：特点：辐射强度及波长的分布随温度变化辐射强度及波长的分布随温度变化;随着温度升高随着温度升高,电磁波的短波成分增加电磁波的短波成分增加.注意：注意：激光、日光灯发光不是热辐射激光、日光灯发光不是热辐射一、热辐射一、热辐射 物体表面能够吸收和反射外物体表面能够吸收和反射外物体表面能够吸收和反射外物体表面能够吸

7、收和反射外界射来的电磁波。界射来的电磁波。界射来的电磁波。界射来的电磁波。如果一个物体在任何温度下，如果一个物体在任何温度下，如果一个物体在任何温度下，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，对任何波长的电磁波都完全吸收，对任何波长的电磁波都完全吸收，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体而不反射与透射，则称这种物体而不反射与透射，则称这种物体而不反射与透射，则称这种物体为为为为绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体，简称，简称，简称，简称黑体黑体黑体黑体。不透明材料制成不透明材料制成不透明材料制成不透明材料制成的带小孔的空腔。的带小孔的空腔。的带小孔的空腔。的带

8、小孔的空腔。一座建设中的楼房还没安装窗子，尽一座建设中的楼房还没安装窗子，尽一座建设中的楼房还没安装窗子，尽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，你管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？为什么？会发现什么？为什么？会发现什么？为什么？会发现什么？为什么？思考与讨论思考与讨论2:2:二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射几点说明：几点说明：黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。例：例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。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

9、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。一般物体的辐射一般物体的辐射与温度、材料、表面状况与温度、材料、表面状况有关，有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑只与黑体的温度有关体的温度有关。二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同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温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。体辐射。三、黑体辐射的实验规律三、黑体辐射的实验规律研究黑体辐射的规律是了解一般物体热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性质的基础 单位时间

10、内从物体单位面积上所发射的单位时间内从物体单位面积上所发射的单位时间内从物体单位面积上所发射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。各种波长的总辐射能，称为辐射强度。各种波长的总辐射能，称为辐射强度。各种波长的总辐射能，称为辐射强度。特点：特点：随温度的升高随温度的升高各种波长的辐射强度都各种波长的辐射强度都各种波长的辐射强度都各种波长的辐射强度都在增加；在增加；在增加；在增加；绝对黑体的温度升高时，绝对黑体的温度升高时，绝对黑体的温度升高时，绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短辐射强度的最大值向短辐射强度的最大值向短辐射强度的最大值向短波方向移动波方向移动

11、波方向移动波方向移动辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度2.2.辐射强度：辐射强度：三、黑体辐射的实验规律三、黑体辐射的实验规律3.3.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解释实验曲线解释实验曲线一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云1)1)1)1)维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：短波符合短波符合短波符合短波符合;长波不符合长波不符合长波不符合长波不符合2)2)2)2)瑞利瑞利瑞利瑞利-金斯公式：金斯公式：金斯公式：金斯公式：长波符合长波符合长波符合长波符合;短波荒唐短波荒唐短波荒唐短波荒唐-

12、紫外灾难紫外灾难紫外灾难紫外灾难维恩线维恩线维恩线维恩线紫紫紫紫 外外外外 灾灾灾灾 难难难难 0 0实验值实验值实验值实验值/m/m1 12 23 34 45 56 67 78 8瑞瑞瑞瑞利利利利-金金金金斯斯斯斯线线线线 三、黑体辐射的实验规律三、黑体辐射的实验规律1.1.1.1.普朗克能量子假设普朗克能量子假设普朗克能量子假设普朗克能量子假设2.2.2.2.辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能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量是某一最小能量的整数倍量是某一最

13、小能量的整数倍量是某一最小能量的整数倍 E=E=E=E=n n n n n n n n=1 1 1 1,2 2 2 2,3.3.3.3.叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，n n n n为量子数，它只取正整为量子数，它只取正整为量子数，它只取正整为量子数，它只取正整数数数数能量量子化能量量子化能量量子化能量量子化 4.4.4.4.带电粒带电粒带电粒带电粒子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量量量量5.5.5.5.对于对于对于对于频率为频

14、率为频率为频率为v v v v的粒子，最小能量为：的粒子，最小能量为：的粒子，最小能量为：的粒子，最小能量为：=h hv v h h=6.6266.626 1010-34-34Js Js 普朗克常普朗克常量量 四、能量子四、能量子能量能量能量能量量子量子量子量子经典经典经典经典黑体辐射公式：黑体辐射公式：1900年年10月月19日，普朗日，普朗克在德国物理学会会议上克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式提出一个黑体辐射公式M.Planck 德国人德国人 18581947维恩线维恩线维恩线维恩线紫紫紫紫 外外外外 灾灾灾灾 难难难难 0 0实验值实验值实验值实验值/m/m1 12 23 34

15、 45 56 67 78 8瑞瑞瑞瑞利利利利-金金金金斯斯斯斯线线线线 普朗克普朗克五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射意义意义：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

16、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，为为量量子力学的诞生奠定了基础。子力学的诞生奠定了基础。普朗克后来又为这种与经典物理格格不普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念入的观念深感不安深感不安，只是在经过十多年的努，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力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信而告终之后，他才坚定地相信 h 的引入确实的引入确实反映了新理论的本质。反映了新理论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。年他荣获诺贝尔物理学奖。死后他的墓碑上只刻着他的姓名和死后他的墓碑上只刻着他的姓名和 黑体辐射的研究卓有成效地展现

17、在人们的黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，眼前，紫外灾难的疑点找到了紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？但真理与谬误之争就此平息了吗？物理难题：物理难题：18881888年，霍瓦年，霍瓦年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)(Hallwachs)发现一个带负电的金发现一个带负电的金发现一个带负电的金发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近属板被紫外光照射会放电。近属板被紫外光照射会放电。近属板被紫外光照射会放电。近1010年以后，年以后，年以后，年以后，18

18、971897年，年，年，年，J.ThomsonJ.Thomson发现了电子发现了电子发现了电子发现了电子 ，此时，人们认识到那就是从，此时，人们认识到那就是从，此时，人们认识到那就是从，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本，相应的效应叫做光电效应。人们本，相应的效应叫做光电效应。人们本，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（

19、光的波动性、电磁理论）进行解着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？释会出现什么结果？释会出现什么结果？释会出现什么结果？问题:既然灯向外辐射的光能是分立的，一份既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。份的。为何我们看不到灯的亮度发生变化？为何我们看不到灯的亮度发生变化？结论：结论：1.1.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物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

20、体的运动是连续的体的运动是连续的体的运动是连续的,能量变化是连续的能量变化是连续的能量变化是连续的能量变化是连续的,不必考虑量不必考虑量不必考虑量不必考虑量子化子化子化子化2.2.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化在研究微观粒子时必需考虑能量量子化在研究微观粒子时必需考虑能量量子化在研究微观粒子时必需考虑能量量子化问题与讨论普朗克理论普朗克理论普朗克理论普朗克理论:能量在发射和吸收的时候，不是连能量在发射和吸收的时候，不是连能量在发射和吸收的时候，不是连能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是续不断，而是分成一份一份的。能量是续不断，而是分成一份一份的。能量是续不断，而

21、是分成一份一份的。能量是h h 的整数倍。的整数倍。的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为每份能量为每份能量为:E=hE=h【例例1】下列叙述正确的是（下列叙述正确的是（）A一切物体都在辐射电磁波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辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关黑体温度有关 D黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波波ACD【例例2】炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就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，这是根据什么道理可

22、以估计出炉内的温度，这是根据什么道理?答案答案 根据热辐射的规律可知，当物体的温度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，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，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、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的颜色大致估计炉内的温度【例例3】对应于对应于3.4l0-l9J的能量子，其电磁辐的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么

23、颜色？射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？解析解析 根据公式根据公式=h和和=c/得得=/h=5.131014Hz=c/=5.8510-7Hz 5.1310-14Hz的频率属于黄光的频率范围，它的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为是黄光，其波长为5.85l07m。1900年年12月月14日，普朗克在柏林宣读了他日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他一年他42岁。普朗克把能量子引入物理学岁。普朗克把能量子引入物理学,正确正确地破除了地破除了”能量连续变化能量连续变化”的传统观念的传统观念,成为现成为现代物理学思想的

24、基石之一代物理学思想的基石之一,为我们打开了量子之为我们打开了量子之门门,就在就在1900年，一个名叫爱因斯坦年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量年后他受量子化启发提出了光量子子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效应成功的解释了光电效应.能量量子化:物理学的新纪元就在那一年就在那一年就在那一年就在那一年,在丹麦，在丹麦，在丹麦，在丹麦，1515岁的玻尔岁的玻尔岁的玻尔岁的玻尔(Niels Bohr)(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书

25、。玻尔有着好动的性格。正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。校有名。校有名。校有名。1313年后他提出了原子轨道量子化年后他提出了原子轨道量

26、子化年后他提出了原子轨道量子化年后他提出了原子轨道量子化.德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意(Louis de Broglie)(Louis de Broglie)当时当时当时当时8 8岁，还正在家岁，还正在家岁，还正在家岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波.再过再过再过再过1212个月，维尔兹堡个月，维尔兹堡个月，维尔兹堡个月，维尔兹堡(Wurzberg)(Wurzberg)的一位著名的一位著名的一位著名的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海希

27、腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡森堡森堡森堡(Werner Karl Heisenberg)(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。呱呱坠地。呱呱坠地。呱呱坠地。以上人物都将在我们的课文中出现以上人物都将在我们的课文中出现以上人物都将在我们的课文中出现以上人物都将在我们的课文中出现.请同学们请同学们请同学们请同学们记住他们的名字记住他们的名字记住他们的名字记住他们的名字.能量量子化:物理学的新纪元课堂练习2.在白天在白天,对面楼房的窗户看上去是黑色的，而对面楼房的窗户看上去是黑色的，而外墙面是亮的，为什么外墙面是亮的，为什么?3.光源发出的光能是一份一份的，那么每份光光源发出的光能是一份一份的，那么每份光能是怎样传到你的眼睛里呢？是均匀分布在能是怎样传到你的眼睛里呢？是均匀分布在两只眼睛里？还是每份只传给一只眼睛上的两只眼睛里？还是每份只传给一只眼睛上的某一处呢？某一处呢？请你与同桌讨论一下请你与同桌讨论一下,说说你的猜想说说你的猜想.1.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍。那灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍。那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小?