原創(chuàng)：17.1能量量子化(講授式)

1、 1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言展望新世紀(jì)的發(fā)言: “科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。就行了。” -開爾文開爾文- 但是，就在上面提到的文章中他還講到：但是，就在上面提到的文章中他還講到： “但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，的烏云，-”這兩朵烏云是指什么呢？這兩朵烏云是指什么呢？物理學(xué)發(fā)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂

2、物理學(xué)發(fā)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水山重水復(fù)疑無路復(fù)疑無路, 柳暗花明又一村柳暗花明又一村”黑體輻射黑體輻射邁克爾遜實(shí)驗(yàn)邁克爾遜實(shí)驗(yàn)量子論量子論相對(duì)論相對(duì)論1900年底年底1905年年鐵塊在溫度升高時(shí)顏色的變化鐵塊在溫度升高時(shí)顏色的變化1400 K800 K1000 K1200 K1. 1. 熱輻射熱輻射黑體與黑體與 黑體輻射黑體輻射任何物體都在輻射電磁波。物體輻射與任何物體都在輻射電磁波。物體輻射與溫度溫度有關(guān)有關(guān);當(dāng)溫度升高時(shí)當(dāng)溫度升高時(shí)熱輻射的主要成分熱輻射的主要成分：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波不能引不能引起人的視覺。起人的視覺。較短波長(zhǎng)的成分越來越強(qiáng)。較短波長(zhǎng)的成分越

3、來越強(qiáng)。熱輻射與溫度熱輻射與溫度有關(guān)有關(guān)激光日光燈發(fā)光不是熱輻射激光日光燈發(fā)光不是熱輻射問題：如何研究物體的熱輻射規(guī)律？那么：在研究物體熱輻射中，應(yīng)如何避免反射電磁波那么：在研究物體熱輻射中，應(yīng)如何避免反射電磁波的影響？的影響？v注意：除了熱輻射外，物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來的電注意：除了熱輻射外，物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來的電磁波磁波例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了該頻率的電磁波，例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來很黑，其實(shí)是它吸收所吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來很黑，其實(shí)是它吸收所有電磁波，反射的電

4、磁波很弱。有電磁波，反射的電磁波很弱。理想的熱輻射體是理想的熱輻射體是“絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱“黑體黑體”。它在任何溫。它在任何溫度下都能全部吸收度下都能全部吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射。入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射。2. 黑體及黑體輻射黑體及黑體輻射2. 2. 黑體和黑體輻射黑體和黑體輻射向遠(yuǎn)處觀察打開的窗向遠(yuǎn)處觀察打開的窗子子近似黑體近似黑體 研究黑體輻射是了解一般物體熱研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。2. 2. 黑體和黑體輻射黑體和黑體輻射一般物體的輻射一般物體的輻射黑體輻射黑體輻射與溫度、材料與溫度、材料及表面狀況有及表面狀況有關(guān)。關(guān)

5、。只與溫度有只與溫度有關(guān)。關(guān)。24m1700K1500K1100K實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論:1.溫度溫度越高越高,輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度越大越大2.與最大輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向與最大輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波短波方向移動(dòng)方向移動(dòng)輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度1300K兩種理兩種理論論:維恩公式維恩公式:短波適合短波適合;長(zhǎng)波不符合長(zhǎng)波不符合瑞利公式瑞利公式:長(zhǎng)波適合長(zhǎng)波適合;短波荒唐短波荒唐紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難普朗克理論普朗克理論 : 在發(fā)射和吸收能量的時(shí)候，不是在發(fā)射和吸收能量的時(shí)候，不是連續(xù)不斷，而是分成連續(xù)不斷，而是分成一份一份一份一份的。能的。能量是量是h 的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。 最小能量為最小能量為: =h 是波的頻率是

6、波的頻率 sJh3410626.6實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)),(0TM瑞利公式瑞利公式維恩公式維恩公式黑體輻射理論解釋黑體輻射理論解釋普朗克理論值普朗克理論值=h不可再分的最小能量值不可再分的最小能量值叫做叫做能量子能量子3 3：能量：能量微觀微觀宏觀宏觀h=6.62610-34J.s能量子能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)超越牛頓的發(fā)現(xiàn)能量只能是最小能量值能量只能是最小能量值的整數(shù)倍，即：的整數(shù)倍，即：, 1 , 2 , 3 , . n . n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為量子數(shù)量子數(shù)1：能量子：能量子2：量子數(shù)：量子數(shù)連續(xù)連續(xù)分立的，量分立的，量子化的子化的2.既然燈向外輻射的光能是分立的，一份份的。既然燈向外輻射的光

7、能是分立的，一份份的。 為何我們看為何我們看不到燈的亮度發(fā)生變化？不到燈的亮度發(fā)生變化？在宏觀尺度內(nèi)我們可以認(rèn)為：能量變化是連續(xù)的在宏觀尺度內(nèi)我們可以認(rèn)為：能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化不必考慮量子化在研究微觀粒子時(shí)必需考慮能量量子化在研究微觀粒子時(shí)必需考慮能量量子化思考討論：思考討論： 1.結(jié)合教科書上的例子及生活實(shí)例說說你心中的連續(xù)性與量子化結(jié)合教科書上的例子及生活實(shí)例說說你心中的連續(xù)性與量子化有什么區(qū)別？有什么區(qū)別？ 如果我們用蘋果的密度乘以箱子的體積（用連續(xù)性的觀點(diǎn)處理），其如果我們用蘋果的密度乘以箱子的體積（用連續(xù)性的觀點(diǎn)處理），其重量會(huì)大于實(shí)際重量，我們只有把蘋果想成量子化的，才

8、能與實(shí)際吻重量會(huì)大于實(shí)際重量，我們只有把蘋果想成量子化的，才能與實(shí)際吻合。又比如，人就是量子化的，不能說某個(gè)家庭有合。又比如，人就是量子化的，不能說某個(gè)家庭有22個(gè)小孩，因?yàn)閭€(gè)小孩，因?yàn)橐粋€(gè)小孩就是一個(gè)基本單位；一個(gè)小孩就是一個(gè)基本單位； 看下列一組照片能否給你一點(diǎn)啟發(fā)看下列一組照片能否給你一點(diǎn)啟發(fā) 微觀世界的某些規(guī)律，在我微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世弄看來可能非常奇怪。們宏觀世弄看來可能非常奇怪。 能量子能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)超越牛頓的發(fā)現(xiàn)課堂練習(xí)課堂練習(xí)2.在白天在白天,對(duì)面樓房的窗戶看上對(duì)面樓房的窗戶看上去是黑色的去是黑色的,而外墻面是亮的而外墻面是亮的.為為什么什么?1.燈向外輻射

9、的能量是最小能量的整數(shù)倍燈向外輻射的能量是最小能量的整數(shù)倍.那么紅光的最小能量比紫那么紅光的最小能量比紫光的最小能量大還是小光的最小能量大還是小?紅光的最小能量紅光的最小能量紫光的最小能量紫光的最小能量1=h12=h2211 2近似黑體近似黑體例例1、氦、氦氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)為氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)為633 nm的激光，當(dāng)激光器的輸出功率為的激光，當(dāng)激光器的輸出功率為1 mW時(shí)，每秒發(fā)出的光子數(shù)為時(shí)，每秒發(fā)出的光子數(shù)為()A2.21015B3.21015C2.21014 D3.21014例例1、氦、氦氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)為氖激光器發(fā)出波長(zhǎng)為633 nm的激光，當(dāng)激光器的輸出功率為的激光，當(dāng)激光器的輸出功率

10、為1 mW時(shí)，每秒發(fā)出的光子數(shù)為時(shí)，每秒發(fā)出的光子數(shù)為()A2.21015B3.21015C2.21014 D3.21014答案：答案：BPtN hc h解析：一個(gè)光子能量為：解析：一個(gè)光子能量為：每秒發(fā)出的光子數(shù)為每秒發(fā)出的光子數(shù)為15102.3N個(gè)個(gè)課堂練習(xí)課堂練習(xí)1.請(qǐng)你填空請(qǐng)你填空:在做全國(guó)人口普查時(shí)我們關(guān)心的是在做全國(guó)人口普查時(shí)我們關(guān)心的是:現(xiàn)在全國(guó)有幾現(xiàn)在全國(guó)有幾_人人, 班級(jí)小組長(zhǎng)在數(shù)人數(shù)時(shí)常用班級(jí)小組長(zhǎng)在數(shù)人數(shù)時(shí)常用:一一_,兩兩_;等等.3.光源發(fā)出的光能是一份一份的光源發(fā)出的光能是一份一份的,那么每份光能是怎樣傳到你的眼睛里那么每份光能是怎樣傳到你的眼睛里呢呢?是均勻分布在兩只眼睛里？還是每份只傳給一只眼睛上的某一處是均勻分布在兩只眼睛里？還是每份只傳給一只眼睛上的某一處呢呢?請(qǐng)你與同桌討論一下請(qǐng)你與同桌討論一下,說說你的猜想說說你的猜想.2.燈向外輻射的能量是最小能量的整數(shù)倍燈向外輻射的能量是最小能量的整數(shù)倍.那么紅光的最小能量比紫那么紅光的最小能量比紫光的最小能量大還是小光的最小