湖南省长沙大学附属中学人教版高中选修3-5物理课件：171能量量子化

1、17.1 物理学的新纪元物理学的新纪元:能量量子化能量量子化19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得世纪末页，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、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推断一切电磁现象的 麦克斯韦方程。另外还麦克斯韦方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律找到了力、电、光、声等都遵循的规律-能能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些

2、成绩和胜利之中。他们认为物理学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。已经发展到头了。 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言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物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。了。” -开尔文开尔文- 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加要把做过的实验再做一做，在实验

3、数据的小数点后面在加几位罢了！几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就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：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，还有两朵令人不但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？ 然而然而, 事隔不到一年事隔不到一年(1900年底年底)，就从，就从第一朵乌云第一朵乌云中降生了量子论中降生了量子论，紧接着，紧接着(1905年年)从第二朵乌云中降生从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展了相对论。经典物

4、理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路山重水复疑无路, 柳柳暗花明又一村。暗花明又一村。” 一朵与黑体辐射有关，一朵与黑体辐射有关， 另一朵与迈克尔逊实验有关。另一朵与迈克尔逊实验有关。思考与讨论思考与讨论1.在火炉旁边有什么感觉？在火炉旁边有什么感觉？2.投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什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？么颜色？ 固体或液体，在固体或液体，在任何温度任何温度下都在发射各种波长的电下都在发射各种波长的电磁波，这种磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁由于物体中的分

5、子、原子受到激发而发射电磁波波的现象称为的现象称为热辐射热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。所辐射电磁波的特征与温度有关。黑体与黑体与黑体辐射黑体辐射 辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。当物体当物体温度较低温度较低时，热辐射的时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁主要成分是波长较长的电磁波波（在红外线区域），不能引起人的视觉；当（在红外线区域），不能引起人的视觉；当温度升高温度升高时，时，热辐射中较短波长的成分越来越强热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大。，可见光所占份额增大。如给一个铁块不断加热，铁块依次呈现暗红、赤

6、红、橘红如给一个铁块不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。等颜色，直至成为黄白色。1.1.热辐射现象热辐射现象2.2.热辐射的特性热辐射的特性一、热辐射一、热辐射 热能热能转化为转化为电磁能电磁能3.3.热辐射能量转化热辐射能量转化4.4.热辐射小结热辐射小结 a.a.任何物体任何温度均存在热辐射；任何物体任何温度均存在热辐射； b.b.温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 ； c.c.一般材料的物体，辐射的电磁波还与材料的种类及一般材料的物体，辐射的电磁波还与材料的种类及表面状况有关。表面状况有关。 问题：问题：如右图所示，如如右图所示，如

7、果在一个空腔壁上开一个很小果在一个空腔壁上开一个很小的孔，让一簇光从小孔射入空的孔，让一簇光从小孔射入空腔，那么会出现什么现象呢？腔，那么会出现什么现象呢？二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射1.1.定义：定义：在热辐射的同时，物体表面还会吸收和反射外界在热辐射的同时，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。射来的电磁波。如果一个物体能够完全吸收射到其表面的如果一个物体能够完全吸收射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射各种波长的电磁波而不发生反射，这个物体就是，这个物体就是绝对黑体绝对黑体，简称简称黑体黑体。2.2.说明：说明：a.a.所谓所谓“黑体黑体”是指能够全部吸收所有频率的电磁辐射的

8、是指能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想模型，实际是不存在的理想模型，实际是不存在的。b.b.黑体看上去不一定是黑的黑体看上去不一定是黑的，有，有些可看做黑体的物体由于自身有些可看做黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮，较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔，一些发光如炼钢炉口上的小孔，一些发光体（如太阳、白炽灯丝等）也被体（如太阳、白炽灯丝等）也被当做黑体来处理。当做黑体来处理。黑体模型黑体模型3.3.黑体模型黑体模型空腔上的小孔空腔上的小孔炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞向远处观察打开向远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体黑体辐射只依赖于物体的温度黑体辐射只依赖于物体

9、的温度, ,与构成黑体的材料与构成黑体的材料 形状无关。形状无关。4.4.黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 黑体热辐射的强度与波长的关系：黑体热辐射的强度与波长的关系：随着温度的升高，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，另一方面，辐射辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。强度的极大值向波长较短的方向移动。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 解释黑体辐射的实验规律 在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩

10、热力学和电磁学规律来解释。德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。维恩公式在短波区与实验非常分布的理论公式。维恩公式在短波区与实验非常接近；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在接近；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，甚至得出了当波长趋于短波区与实验严重不符，甚至得出了当波长趋于零时辐射强度变得无穷大的非常荒谬的结论，当零时辐射强度变得无穷大的非常荒谬的结论，当时被称为时被称为“紫外灾难紫外灾难”。两种两种理论理论:维恩公式维恩公式: 短波适合短波适合;长波不符合长波不符合瑞利公式瑞利公式: 长波

11、适合长波适合;短波荒唐短波荒唐 紫外灾难紫外灾难普朗克理论普朗克理论 : 在发射和吸收能量的在发射和吸收能量的时候，不是连续不断，而时候，不是连续不断，而是分成一份一份的，能量是分成一份一份的，能量是是h 的整数倍。的整数倍。实验实验),(0TM瑞利公瑞利公式式维恩公式维恩公式普朗克理论值普朗克理论值1.能量子假说：能量子假说：黑体辐射分子、原子的振动可看作谐振黑体辐射分子、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，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

12、经典物理学所允许的可具有任意值。能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的相应的能量是某一最小能量能量是某一最小能量的整数倍，即的整数倍，即1、2、3n（n为正整数，称为量子数为正整数，称为量子数），），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叫做能量子能量子。对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为h三、能量子：超越牛顿的发现三、能量子：超越牛顿的发现sJh3410626. 6h是一个常量，称为普朗克常量是一个常量，称为普朗克常量(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值),(0Te 普朗克后来又为这种与经典物理普朗克后来又为这种与经典物理

13、格格不入的观念深感不安，只是在经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，他物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信才坚定地相信h的引入确实反映了新的引入确实反映了新理论的本质。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。 他的墓碑上只刻着他的姓名和他的墓碑上只刻着他的姓名和hM.Planck 德国人德国人 18581947 黑体辐射的研究卓有成效地展现在人黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，紫外灾难的疑点找到了，为为人类解决了一大难题。使热爱科

14、学的人人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？就此平息了吗？物理难题：物理难题：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)发现一发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近10年以后，年以后，1897年，年，J.Thomson发现了电子发现了电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的此时，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。，相应的效应叫做光电效应。人们本着对

15、光的完美理论（光的波动性、电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？磁理论）进行解释会出现什么结果？ 【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黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关体温度有关 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ACD【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?答案答案 根据热辐射的规律可知，当物体的温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，为分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等