【高中物理】能量量子化(课件) 2023-2024学年高中物理同步备课（人教版2019必修第三册）

第十三章电磁感应与电磁波初步13.5能量量子化2023-2024学年高中物理同步备课必修第三册目录contents热辐射0102能量子03能级04典例分析新课导入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。新课导入

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

但开尔文毕尽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.”两朵乌云

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。相对论(高速领域)量子力学(微观领域)而关于黑体辐射的问题正是我们今天要学习的内容。一朵与黑体辐射有关另一朵与迈克尔逊实验有关（光的速度）想一想

在炉火旁边有什么感觉？把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢？热辐射01热辐射

我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中波长较短的成分越来越强。

随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。1400K800K1000K1200K常温下我们看到不发光的物体颜色就是物体表面反射光所致。如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，会怎样？大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。一般物体的热辐射与温度、材料及表面状况有关。

黑体：如果某物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体。近似黑体黑体辐射只与温度有关。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？思考与讨论研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。黑体辐射：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。012341700K1500K1300K1100K辐射强度黑体辐射实验规律黑体辐射实验：随着温度的升高

各种波长的辐射强度都有增加；

辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。黑体辐射理论解释实验瑞利线维恩线两种理论：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。

——紫外灾难为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克进行了多种尝试。普朗克理论值能量子02能量子——超越牛顿的发现1900年底，普朗克作出了这样的大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小为

是电磁波的频率，h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为微观宏观连续分立的量子化能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同，例如，一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续（分立）的。

借助于能量子的假说，普朗克得出的黑体辐射的强度按波长的分布公式，与实验符合的非常好。能量量子化假说的意义（1）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,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史上一个重大转折点，是物理学的一个新纪元。（2）普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征;（3）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。

光本身就是一个个不可分割的能量子，后来被叫做光子，频率为ν的光其能量为：

爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：爱因斯坦与光子爱因斯坦的光子说能级03

微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级（energylevel）。分立轨道1

2

3

4E4E3E2E1定态跃迁E4E3E2E1能级

原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。

由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。氦原子光谱能级差原子分立谱线E412345E1E3E2E5E∞n（1）原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。如图：hν=E4–E1。（2）当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。如图：hν=E5–E2。玻尔理论对氢光谱的解释：玻尔从上述假设出发，利用经典理论和量子理论结合，计算出了氢的电子的轨道半径和对应的能量值（能级）。氢原子能级-13.6-3.4-1.51-0.8504132∞nE/eV氢原子的能级

20世纪20年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。

核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到非富多彩的现代生活。量子力学与现代生活聆听宇宙宇宙浩瀚无垠，神秘莫测。古人通过肉眼观察星空，绘制星图。望远镜的发明拓展了人类的视野，使人们对天体的了解更加清楚。聆听宇宙典例分析041.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ACD2．下列说法正确的是（）A．微观粒子的能量变化是跳跃式的B．能量子与电磁波的频率成正比C．