能量量子化,物理学的新纪元【公开课教学PPT课件】高中物理

19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,著名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--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？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。然而,事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)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，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路,柳暗花明又一村思考与讨论1，在炉火旁边有什么感觉？2，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K热辐射一、黑体与黑体辐射思考与讨论

一座建设中楼房还没有安装窗子，尽管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？一、黑体与黑体辐射

实验表明．对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外．还与材料的种类及表面状况有关．而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．因而反映了某种具有普通意义的客观规律．于是，在研究热辐射的规律时．人们特别注意对黑体辐射的研究.2.黑体及黑体辐射

理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑体”，它是在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射的

理想物体。1895年，维恩首先指出，绝对黑体可以用一个带有小孔的辐射空腔（见图)来实现当空腔受热时，空腔壁会发出辐射，极小部分通过小孔逸出。热平衡状态：向外发射的电磁波能量=从外界吸收的能量直觉:

低温物体发出的是:炽热物体发出的是:高温物体发出的是:注意：

热辐射与温度有关激光、日光灯发光不是热辐射红外光可见光紫外光实验装置T平行光管三棱镜T二、黑体辐射实验规律0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K实验结果二、黑体辐射实验规律o实验值/μm维恩线瑞利--金斯线紫外灾难普朗克线12345678二、黑体辐射实验规律三、能量子超越牛顿的发现

微观世界的某些规律，在我们宏观世弄看来可能非常奇怪。ε=hν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：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n为正整数，称为量子数。能量量子经典

三、能量子超越牛顿的发现λ(μm)123568947普朗克实验值三、能量子超越牛顿的发现问题与练习

在一杯开水中放入一枝温度计，开水静置室内，可以看到开水的温度逐渐降低的，既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温度不是一段一段地降低？

开水向外辐射每一份能量很小（微观量）而水降低一摄氏度释放的能量很大（宏观量）由于温度计的精度不够，所以观察到不是一段一段降低的

图中的热辐射曲线就是依照普朗克计及能量子假设而导出的辐射公式画成的，与黑体辐射实验结果相符合。

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。

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伟大的发现。”

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；１９１２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。

面对量子论的发展与