选修3-5能量量子化 PPT
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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。
2、辐射强度：
单位时间内从物体单位面积上所发射的 各种波长的总辐射能，称为辐射强度。
辐射强度
Leabharlann Baidu
发现：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
继续保持安 静
思考与讨论2：一座建设中的楼房 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？
二、黑体与黑体辐射
物体表面能够吸收和反射外 界射来的电磁波。
不透明材料制成 的带小孔的空腔。
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。
材料鉴赏：
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取 得了很大的成功：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 体的内能。
在电磁学方面，建立了一个能推断一切电 磁现象的 Maxwell方程。
另外还找到了力、电、光、声----等都遵循 的规律---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 利之中。他们认为物理学已经发展到头了。
• 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,…
•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
• 微观粒子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量 • 不可再分的最小能量为：
ε=h
h=6.62610-34J·s ——普朗克常量
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。相应的能量是某一最小能量ε （称为能量子）的整数倍，即：1ε，2ε，3ε， ... nε。n为正整数，称为量子数。
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
M0(T)
实验值
1）维恩的半经验公式： 短波符合；长波不符合
紫 外 灾
难
2）瑞利----金斯公式： 长波符合；短波荒唐 ----紫外灾难
维恩线
瑞利--金斯线
o 1 2 3 4 5 6 7 8 /μm
四、能量子：超越牛顿的发现
• 普朗克能量子假说
一、热辐射现象
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
800K
1000K
1200K
1400K
例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色
到黄白色
无论是高温物体还是低温物体，都有热 辐射，所辐射的能量及波长的分布都随温度 而变化。
能量
经典 量子
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 h 的引入确 实反映了新理论的本质。
1918年他荣获诺贝尔物
理学奖。
M.Planck 德 国人 1858－
他的墓碑上只刻着他的
1947
姓名和 h = 6 .6 2 6 × 1 0 - 3 4 焦 g 秒
例如，铁块随着温度升高： 现象：不发光→ 暗红→ 赤红→ 橘红→ 黄白色 表明：①辐射强度及波长的分布随温度变化； ② 随着温度升高，电磁波的短波成分增加。
热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率) 都有，但是强度不同。 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。
Cff
大家学习辛苦了，还是要坚持
说明：
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。
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 辐射性质的基础。
这两朵乌云是指什么呢？
黑体辐射实验
与光的速 度有关
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。
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？
经典 力学
微观领域 高速领域
量子力学 相对论
思考与讨论1:
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？
【例3】对应于3.4×l0-l9J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？
•[解析] 根据公式ε=hν和ν=c/λ得 • ν=ε/h=5.13×1014Hz • λ=c/ν=5.85×10-7Hz • 5.13×10-14Hz的频率属于黄光的频率范围， 它是黄光，其波长为5.85×l0—7m。
意义：（阅读书本p29）
普朗克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。
【例1】下列叙述正确的是（ ACD ）
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
【例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?
[答案] 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
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:
“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。” (开尔文)
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，……”
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。
2、辐射强度：
单位时间内从物体单位面积上所发射的 各种波长的总辐射能，称为辐射强度。
辐射强度
Leabharlann Baidu
发现：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
继续保持安 静
思考与讨论2：一座建设中的楼房 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？
二、黑体与黑体辐射
物体表面能够吸收和反射外 界射来的电磁波。
不透明材料制成 的带小孔的空腔。
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。
材料鉴赏：
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取 得了很大的成功：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 体的内能。
在电磁学方面，建立了一个能推断一切电 磁现象的 Maxwell方程。
另外还找到了力、电、光、声----等都遵循 的规律---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 利之中。他们认为物理学已经发展到头了。
• 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,…
•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
• 微观粒子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量 • 不可再分的最小能量为：
ε=h
h=6.62610-34J·s ——普朗克常量
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。相应的能量是某一最小能量ε （称为能量子）的整数倍，即：1ε，2ε，3ε， ... nε。n为正整数，称为量子数。
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
M0(T)
实验值
1）维恩的半经验公式： 短波符合；长波不符合
紫 外 灾
难
2）瑞利----金斯公式： 长波符合；短波荒唐 ----紫外灾难
维恩线
瑞利--金斯线
o 1 2 3 4 5 6 7 8 /μm
四、能量子：超越牛顿的发现
• 普朗克能量子假说
一、热辐射现象
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
800K
1000K
1200K
1400K
例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色
到黄白色
无论是高温物体还是低温物体，都有热 辐射，所辐射的能量及波长的分布都随温度 而变化。
能量
经典 量子
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 h 的引入确 实反映了新理论的本质。
1918年他荣获诺贝尔物
理学奖。
M.Planck 德 国人 1858－
他的墓碑上只刻着他的
1947
姓名和 h = 6 .6 2 6 × 1 0 - 3 4 焦 g 秒
例如，铁块随着温度升高： 现象：不发光→ 暗红→ 赤红→ 橘红→ 黄白色 表明：①辐射强度及波长的分布随温度变化； ② 随着温度升高，电磁波的短波成分增加。
热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率) 都有，但是强度不同。 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。
Cff
大家学习辛苦了，还是要坚持
说明：
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。
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 辐射性质的基础。
这两朵乌云是指什么呢？
黑体辐射实验
与光的速 度有关
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。
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？
经典 力学
微观领域 高速领域
量子力学 相对论
思考与讨论1:
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？
【例3】对应于3.4×l0-l9J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？
•[解析] 根据公式ε=hν和ν=c/λ得 • ν=ε/h=5.13×1014Hz • λ=c/ν=5.85×10-7Hz • 5.13×10-14Hz的频率属于黄光的频率范围， 它是黄光，其波长为5.85×l0—7m。
意义：（阅读书本p29）
普朗克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。
【例1】下列叙述正确的是（ ACD ）
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
【例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?
[答案] 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
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:
“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。” (开尔文)
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，……”