第十七章 第1节

第1节能量量子化

1．了解黑体、热辐射和黑体辐射的概念，了解黑体辐射的规律。

2．了解能量子的概念，了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

3．了解能量子概念的提出过程，体会物理学发展的艰辛。

4．了解科学家探索微观世界规律的方法，培养热爱科学的科学态度与责任。

一、黑体与黑体辐射

1．热辐射

(1)定义：我们周围的一切物体都在辐射□01电磁波，这种辐射与□02物体温度有关，所以叫热辐射。

(2)特性：热辐射强度按波长的分布情况随物体的□03温度而有所不同。

2．黑体

(1)定义：某种物体能够□04完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生□05反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。

(2)黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的□06温度有关。

二、黑体辐射的实验规律

1．如图所示，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加。

2．辐射强度的极大值向着波长□01较短的方向移动。

三、能量子

1．定义：普朗克认为，带电微粒辐射或吸收能量时，只能是辐射或吸收某个最小能量值的□01整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

2．大小：ε＝hν，其中ν□02频率，h 是□03普朗克常量，数值h ＝□

046.626×10－34 J·s 。(一般h 取6.63×10－34 J·s)

判一判

(1)黑体就是黑色的物体。( )

(2)黑体是一种理想模型，生活中并不存在。但有些情况物体可近似看成黑体。

( )

(3)普朗克的能量子假说，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。( )

提示：(1)× (2)√ (3)√

想一想

(1)热辐射在高温下才能发生吗？

提示：任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。

(2)投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？

提示：投在炉中的铁块一开始是黑色，过一会儿随着温度的升高，铁块逐渐变为红色，这是因为同一物体热辐射的强度与温度有关。

(3)一般物体的热辐射与黑体辐射有什么区别？ 提示：⎩⎨⎧ 黑体辐射：只与黑体的温度有关一般物体辐射⎩⎨⎧⎭⎬⎫温度材料种类表面状况⇒都有关

课堂任务黑体辐射

1．对黑体的理解

(1)绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。

(2)黑体看上去不一定是黑的，有些可看成黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮。

2．黑体辐射的实验规律

在一定温度下，黑体辐射的各种波长的电磁波强度是一定的，且各种波长的电磁波强度不同，有一种波长的电磁波强度最大；随着温度的升高，黑体辐射的各种波长的电磁波的强度增加，并且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

例1(多选)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

(1)黑体辐射有什么特殊性？

提示：黑体辐射只与温度有关，而一般物体辐射还与材料种类和表面状况有关。

(2)黑体辐射时只辐射可见光吗？

提示：不是。黑体可以辐射各种波长的电磁波。

[规范解答]根据热辐射的定义，A正确；因为一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，故B错误，C正确；根据黑体的定义知D正确。

[完美答案]ACD

一般物体与黑体的比较

[变式训练1](多选)如图所示为T1、T2温度时黑体辐射强度与波长的关系，则下列选项正确的是()

A．T1>T2

B．T1

C．随温度升高，各种波长的辐射强度都减小

D．随温度升高，辐射强度的极大值向较短波长方向移动

答案AD

解析温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，A正确，B、C错误；随着温度的升高，辐射强度的极大值向较短波长方向移动，D正确。

课堂任务能量量子化

1．能量子

黑体的空腔壁是由大量振子(振动着的带电微粒)组成的，其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、…。当振子辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地进行。这个不可再分的最小能量值ε叫

做能量子，ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h是普朗克常量(h＝6.626×10－34 J·s)。

2．能量的量子化

在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化。

3．能量量子化的理解

(1)物体在发射或吸收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。

(2)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；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。

(3)能量子的能量ε＝hν，其中，h是普朗克常量，ν是电磁波的频率。

例2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%。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。普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，估算：

(1)地面上1 m2面积上每秒接收到的可见光光子数？

(2)太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少？

(1)已知波长λ和波速v，如何求频率？

提示：由波速公式v＝λν可得：ν＝v λ。

(2)发光功率与单个光子能量的关系？

提示：发光功率P＝n·ε，其中n为单位时间发出的光子数目，ε为单个光子能量。

[规范解答](1)设地面上垂直于阳光的1 m2面积上每秒钟接收的可见光光子数为n，

则有P×45%＝n·h c λ。

解得n＝0.45λP

hc＝

0.45×0.55×10－6×1.4×103

6.6×10－34×3×108

个＝1.75×1021个。

(2)设想一个以太阳为球心，以日地间距离为半径的大球面包围着太阳。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个≈4.9×1044个。

[完美答案](1)1.75×1021个(2)4.9×1044个

解有关能量子问题的技巧