能量量子化精品课件ppt

黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的 眼前，紫外灾难的疑点找到了，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， 但真理与谬误之争就此平息了吗？
物理难题：
1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金 属板被紫外光照射会放电。近10年以后，1897年， J.Thomson发现了电子 ，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 (photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们 本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行 解释会出现什么结果？
第十七章
波粒二象性
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。
能量量子化:物理学的新纪元
就在那一年,在丹麦，15岁的玻尔(Niels Bohr) 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 才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全 校有名。13年后他提出了原子轨道量子化. 德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁，还正在 家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波. 再过12个月，维尔兹堡(Wurzberg)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 森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。 以上人物都将在我们的课文中出现.请同学们 记住他们的名字.
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：铁块辐射电磁波
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一、热辐射
1. 一切物体，在任何温度下都在辐射各种波长的
电磁波，这种辐射与物体的温度有关,故称为热辐射
。热辐射辐射电磁波的特性与温度有关。
2.⑴任何物体（气、液、固）在任何温度下， 都会有热辐射。 ⑵热辐射波谱是连续谱， 各种波长(频率)都有，
能量的变化竟然是不连续的，这与物理学 界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则 直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理 学家不予接受。量子论的出现，物理学界最 初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克 那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不 承认他的理论性的量子假说。
遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但
【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。
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，……”
基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于振
子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。
•
１９０５年，爱因斯坦提出光量子假说， 成功地解释了光电效应；１９０６年，他又将 量子理论运用到固体比热问题，获得成功；１ ９１２年，玻尔将量子理论引入到原子结构理 论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难， 建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学 划时代的进展；１９２２年，康普顿通过实验 最终使物理学家们确认光量子图景的实在性， 从而使量子理论得到科学界的普遍承认。
,
3.说明： ⑴黑体是个理想化的模型。
例：开小洞的炼钢炉，远处的窗口等可近似看作黑体。
⑵对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。
⑶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。 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。
T T
平行光管 三棱镜
2、黑体辐射实验规律
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 总辐射能，称为辐射强度。 发现：随温度的升高 ①各种波长的辐射强 度都在增加； ②辐射强度的最大值 向短波方向移动
λ
0 1 2 3 4 5 6
(μm)
3、经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线
他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长 期惴惴不安。在发现能量子之后的长达１４年 时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾 在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么 毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最 大的发现。”
•
普朗克在做出量子假说时已年过四十。 他受过严格的经典物理学训练，对经典物理 学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学 决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出 能量子的假说。他的能量子假说是不彻底的， 他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为
这两朵乌云是指什么呢？ 黑体辐射实验
迈克尔逊莫雷实验
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 又是什么颜色？
一朵令人不安的乌云
M 0 (T )
实验值 紫 外 灾 难
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 o 1 2 3 4 5 6 7 8
瑞利--金斯线
/μm
四、能量子：超越牛顿的发现
普朗克能量子假说
辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能
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。 他的墓碑上只刻着他的姓名和
h = 6.626 ×10
-34
焦 秒
【例1】下列叙述正确的是（ ACD ） A．一切物体都在辐射电磁波
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
2πh ν M ν (T) = 2 hν/kT c e -1
h = 6.55 ×10 J s
-34
3
M.Planck 德国人 1858－1947
e0 ( , T )
实验值
普朗克
1
2
3
4
5
6
7
8
9 λ (μ m)
B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有 关wenku.baidu.com
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
但是强度不同。 温度 短波长的电磁波的比例 。 低温物体发出的是红外光，
炽热物体发出的是可见光，
⑶热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，
高温物体发出的是紫外光。
3、平衡热辐射
加热一物体 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
冶金工业的发展及对恒星研究的需要促进 了对黑体辐射的研究
E nh
(n 1,2,3)
经典
量子
能量
1900年12月14日普朗克在德国物 理学会上报告了自己的研究结果，他的 公式受到欢迎，但他的能量子假说，却 受到冷遇，当时没有人相信他的假说。 能量子假说的提出，给经典物理学打 开了一个缺口，为量子物理学安放了一 块奠基石，宣告量子物理学的诞生。
意义：（阅读书本p29）
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。
2、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化
能量量子化:物理学的新纪元
1900年12月14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。那一 年他42岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地 破除了”能量连续变化”的传统观念,成为现代 物理学思想的基石之一, 为我们打开了量子之门,
就在1900年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)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。5年后他受量 子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效 应.
量是某一最小能量的整数倍 E=nε 数——能量量子化 n=1,2,…
ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量
对于频率为 的谐振子，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。
二.黑体及黑体辐射 1.理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称 “黑体”，它能完全吸收各种波长的辐射能 而不发生反射，折射和透射.
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。
2.黑体模型
带小孔的不透明空腔
带小洞的炼钢炉
向远处观察打开的窗子
近似黑体
形体平 状的衡 无温态 关度时 与黑 构体 成辐 黑射 体只 的依 材赖 料于 物
问题与结论 普朗克理论: 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 h 的整数倍。 每份能量为: E=hν h 6.626 1034 J s 问题: 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？ 结论： 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