选修3-5：171-能量量子化

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。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，……”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？量子力学相对论微观领域高速领域经典力学思考与讨论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？实验：加热铁

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1400K800K1000K1200K

例如：铁块温度从看不出发光到暗红到橙色到黄白色一、热辐射现象

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。例如，铁块随着温度升高：

现象：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。不发光→暗红→赤红→橘红→黄白色注意：激光、日光灯发光不是热辐射热平衡状态：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。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。

热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。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。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。不透明材料制成的带小孔的空腔。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。

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平行光管三棱镜T。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。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辐射强度维恩线瑞利--金斯线紫外灾难o实验值/μm123456783、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，它们的能量是某一最小能量的整数倍

E=nεn=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

四、能量子：超越牛顿的发现

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。能量量子经典黑体辐射公式：

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M.Planck

德国人1858－1947λ(μm)947普朗克实验值123568

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。看下列一组照片能否给你一点启发【例1】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]

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【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=5.13×1014Hzλ=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。

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？

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(AlbertEinstein)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.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(NielsBohr)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(LouisdeBroglie)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(WernerKarlHeisenberg)呱呱坠地。以上人物都将在我们的课文