第一节能量量子化

1、第1页 第1页 共 33 页 第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性第一节第一节 能量量子化能量量子化第2页 第2页 共 33 页 知识梳理图知识梳理图 第3页 第3页 共 33 页 【知识点知识点】 1.黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射;2.黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律;3.普普朗克量子假说朗克量子假说.第4页 第4页 共 33 页 情景设置情景设置在在19世纪和世纪和20世纪之交世纪之交,许多人陶醉于经典物理学的巨大成许多人陶醉于经典物理学的巨大成功之中功之中,似乎完善的理论和技术的进步给人们这样一种感似乎完善的理论和技术的进步给人们这样一种感觉觉:物理学这座庄严雄伟物理学这座庄严雄伟

2、 动人心弦的美丽殿堂已经建成动人心弦的美丽殿堂已经建成了了. 为了对热辐射实验的解释及一系列有关的工作为了对热辐射实验的解释及一系列有关的工作,普朗克将不连普朗克将不连续性引入到物理学续性引入到物理学,提出了一个提出了一个“离经叛道离经叛道”的概念的概念能量量子能量量子.打开了禁锢人们思想的枷锁打开了禁锢人们思想的枷锁,把人们带入了一个把人们带入了一个以量子论为标志的微观世界以量子论为标志的微观世界.第5页 第5页 共 33 页 热辐射实验究竟是一个怎样的实验热辐射实验究竟是一个怎样的实验?它是怎样引起物理学中它是怎样引起物理学中的巨大变革的呢的巨大变革的呢?第6页 第6页 共 33 页 深化

3、探究深化探究一一 黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射1.热辐射热辐射(1)定义定义:物体在任何温度下物体在任何温度下,都会发射电磁波都会发射电磁波,温度不同温度不同,所发所发射的电磁波的频率和强度也不同射的电磁波的频率和强度也不同,物理学中把这种现象叫物理学中把这种现象叫做热辐射做热辐射.例如例如:太阳太阳 白炽灯中光的发射就属于热辐射白炽灯中光的发射就属于热辐射.(2)特点特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同不同.第7页 第7页 共 33 页 用实验来观察热辐射现象用实验来观察热辐射现象,可以发现热辐射的光谱是连续光谱可以发现热辐射的光

4、谱是连续光谱,并且辐射光谱的性质与温度有关并且辐射光谱的性质与温度有关.在室温下在室温下,大多数物体辐大多数物体辐射不可见的红外线射不可见的红外线,但当物体被加热到但当物体被加热到500左右时左右时,开始开始发出暗红色的可见光发出暗红色的可见光.随着温度的不断上升随着温度的不断上升,辉光逐渐亮起辉光逐渐亮起来来,而且波长较短的辐射越来越多而且波长较短的辐射越来越多.大约在大约在1500时就变成时就变成明亮的白炽光明亮的白炽光.这说明同一物体在一定温度下所辐射的能这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量量,在不同光谱区域的分布是不均匀的在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高光谱而且温度越高光

5、谱中能量最大的辐射相对应的频率也最高中能量最大的辐射相对应的频率也最高.此外此外,在实验中还在实验中还发现发现:到一定温度下到一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同不同.第8页 第8页 共 33 页 例如例如,将钢加热到约将钢加热到约800时时,就可以观察到明亮的红光就可以观察到明亮的红光,但在但在同一温度下同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光熔化的水晶却不辐射可见光,必须注意必须注意,热辐射热辐射不一定要高温不一定要高温,任何温度的物体都发出一定的热辐射任何温度的物体都发出一定的热辐射.第9页 第9页 共 33 页 2.黑体黑体(1)定义定义:如果某

6、种物体在任何温度下能够完全吸收入射的各如果某种物体在任何温度下能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就是黑体这种物体就是黑体.实际上黑体只是一种理想情况实际上黑体只是一种理想情况,如在一个空腔壁上开一个很小如在一个空腔壁上开一个很小的孔的孔,那么入射小孔的电磁波在空腔内表面发生多次反射那么入射小孔的电磁波在空腔内表面发生多次反射和吸收和吸收,最终不能从空腔射出最终不能从空腔射出,这个小孔就形成一个绝对黑这个小孔就形成一个绝对黑体体,如图所示如图所示.第10页 第10页 共 33 页 注意注意:黑体看上去不一定是黑色的黑体看上去不一定是黑色的,只有当自

7、身辐射的可见光只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的非常微弱时看上去才是黑的;有些可看做黑体的物体有些可看做黑体的物体,由于由于有较强的辐射有较强的辐射,看起来还是很明亮看起来还是很明亮,如太阳等一些发光物体如太阳等一些发光物体也被当做黑体来处理也被当做黑体来处理.(2)黑体辐射的特点黑体辐射的特点: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与黑体的温度有关.第11页 第11页 共 33 页 3.黑体辐射的规律黑体辐射的规律(1)黑体辐射的规律黑体辐射的规律19世纪末世纪末,物理学家从实验和理论两个方面研究了各种温度物理学家从实验和理论两个方面

8、研究了各种温度下的黑体辐射下的黑体辐射,测量了它们的黑体辐射强度按波长分布的测量了它们的黑体辐射强度按波长分布的情况情况,得出了如图所示的实验曲线得出了如图所示的实验曲线.第12页 第12页 共 33 页 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 第13页 第13页 共 33 页 注意注意:每一条曲线都有一个极大值每一条曲线都有一个极大值,随着温度的升高随着温度的升高,黑体的辐黑体的辐射强度迅速增大射强度迅速增大,并且辐射强度的极大值向波长较短的方并且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动向移动.第14页 第14页 共 33 页 (2)黑体辐射实验规律的解释黑体辐射实验规律的解释.维恩公式解释维恩公

9、式解释:1896年德国物理学家维恩年德国物理学家维恩(W.Wien)从热力从热力学理论出发学理论出发,得到一个公式得到一个公式,但它只是在短波部分与实验相但它只是在短波部分与实验相符符,而长波部分与实验存在明显的差异而长波部分与实验存在明显的差异. 瑞利公式解释瑞利公式解释:1900年年,英国物理学家瑞利英国物理学家瑞利(L.Ray Leigh)从经典电磁理论出发推导出一个公式从经典电磁理论出发推导出一个公式,其预测结果在长波其预测结果在长波部分与实验吻合部分与实验吻合,在短波部分偏差较大在短波部分偏差较大,尤其在紫外线一端尤其在紫外线一端,当波长趋于当波长趋于0时时,辐射本领将趋于无穷大辐射

10、本领将趋于无穷大,这种情况被人们称这种情况被人们称为为“紫外灾难紫外灾难”. 第15页 第15页 共 33 页 (3)一般物体的热辐射和黑体辐射和吸收一般物体的热辐射和黑体辐射和吸收 反射的特点反射的特点热辐射特点热辐射特点吸收吸收 反射特点反射特点一般物一般物体体辐射电磁波的情况与温度有关辐射电磁波的情况与温度有关, ,与材料的种类及表面状态有与材料的种类及表面状态有关关既吸收既吸收 又反射又反射. .其其它能力与材料种类它能力与材料种类及入射波长等因素及入射波长等因素有关有关黑体黑体辐射电磁波的强度按波长分布辐射电磁波的强度按波长分布只与黑体的温度有关只与黑体的温度有关完全吸收各种入射完全

11、吸收各种入射电磁波电磁波, ,不反射不反射第16页 第16页 共 33 页 二二 能量量子化能量量子化1.普朗克的量子化假设普朗克的量子化假设(1)能量子能量子振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍的整数倍.例如可能是例如可能是 2或或3当带电微粒辐射和吸收能量时当带电微粒辐射和吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值这个不可再分的最小能量值叫做能量子叫做能量子.第17页 第17页 共 33 页 (2)能量子公式能量子公式=h是电磁波的频率是电磁波

12、的频率,h是一个常量是一个常量,被称为普朗克常量被称为普朗克常量,h=6.62610-34 Js.(3)能量的量子化能量的量子化在微观世界中能量不能连续变化在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值只能取分立值,这种现象叫这种现象叫做能量的量子化做能量的量子化. 第18页 第18页 共 33 页 2.量子化假设的实验证实量子化假设的实验证实普朗克公式与实验结果比较普朗克公式与实验结果比较,发现与实验结果发现与实验结果“令人满意的相令人满意的相符符”,比较图线如下图所示比较图线如下图所示,曲线是根据普朗克的公式作出曲线是根据普朗克的公式作出的的,小圆代表实验值小圆代表实验值,普朗克的能量子假设使

13、人类对微观世普朗克的能量子假设使人类对微观世界的本质有了全新的认识界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革对现代物理学的发展产生了革命性的影响命性的影响,普朗克常量普朗克常量h是自然界最基本的常量之一是自然界最基本的常量之一,它体它体现了微观世界的基本特征现了微观世界的基本特征.第19页 第19页 共 33 页 第20页 第20页 共 33 页 典例分析典例分析一一 根据黑体辐射实验规律进行分析判断根据黑体辐射实验规律进行分析判断第21页 第21页 共 33 页 例例1:如图所示为如图所示为T1 T2温度时黑体辐射强度与波长的关系温度时黑体辐射强度与波长的关系,则则下列说法正确的是下

14、列说法正确的是( )A.T1T2B.T1T2C.随着温度的升高随着温度的升高,各种波长的辐射强度都减小各种波长的辐射强度都减小D.随着温度的升高随着温度的升高,辐射强度的极大值向短波长方向移动辐射强度的极大值向短波长方向移动第22页 第22页 共 33 页 解析解析:由黑体辐射的实验规律可知由黑体辐射的实验规律可知,温度越高黑体辐射的各种温度越高黑体辐射的各种波长的电磁波的强度都增大波长的电磁波的强度都增大,故故C选项错误选项错误,而而A选项正确选项正确,黑体温度越高辐射强度的极大值向短波长方向移动黑体温度越高辐射强度的极大值向短波长方向移动,故故D选选项正确项正确.答案答案:AD第23页 第

15、23页 共 33 页 巩固练习巩固练习: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温度有关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黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波第24页 第24页 共 33 页 解析解析:根据热辐射的定义可知根据热辐射的定义可知,A选项正确选项正确;根据热辐射和黑体根据热辐射和黑体辐射的特点和一般物体辐射电磁波的情况辐射的特点和一般物体辐射电磁波的情况,除与温

16、度有关除与温度有关外外,还与材料的种类和表面状况有关还与材料的种类和表面状况有关,而黑体辐射只与温度而黑体辐射只与温度有关有关,故故B选项错误选项错误,C选项正确选项正确;根据黑体的定义可知根据黑体的定义可知D选项选项正确正确.答案答案:ACD第25页 第25页 共 33 页 二、应用能量子进行有关计算二、应用能量子进行有关计算例例2:某红光的波长为某红光的波长为6.3510-7 m,求其能量子的值求其能量子的值.(保留三保留三位有效数字位有效数字)341987:c,hh6.63 10J3.13 130J.0 106.35 10.cc解析 根据公式则由能量子公式可求得答案答案:3.1310-1

17、9 J第26页 第26页 共 33 页 梯度练习梯度练习1.红红 橙橙 黄黄 绿四种单色光中绿四种单色光中,能量最小的是能量最小的是( )A.红光红光 B.橙光橙光C.黄光黄光 D.绿光绿光答案答案:A 第27页 第27页 共 33 页 2.以下宏观概念哪些是以下宏观概念哪些是“量子化量子化”的的( )A.人的身高人的身高 B.人的体重人的体重C.物体的动量物体的动量 D.班里学生个数班里学生个数答案答案:D第28页 第28页 共 33 页 3.对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的以下说法正确的是是( )A.以某一个最少能量值一份一份地辐射和

18、吸收以某一个最少能量值一份一份地辐射和吸收B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍C.吸收的能量可以是连续的吸收的能量可以是连续的D.辐射和吸收的能量是量子化的辐射和吸收的能量是量子化的答案答案:ABD第29页 第29页 共 33 页 4.人眼对绿光最为敏感人眼对绿光最为敏感,正常人的眼睛接收到波长为正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时的绿光时,只要每秒有只要每秒有6个绿光光子射入瞳孔个绿光光子射入瞳孔,眼睛就能察觉眼睛就能察觉,普朗克常量普朗克常量h=6.6310-34 Js,光速光速c=3.0108 m/s,则则人能察觉到绿光的最小功率是人能察觉到绿光的最小功率是( )A.2.310-18 W B.3.810-19 WC.7.010-10 W D.1.210-18 W第30页 第30页 共 33 页 31848966 6:PE6hPW2.3 10W.63 103.0 10530 10Etchc解析 人眼察觉到的最小功率得答案答案:A第31页 第31页 共 33