能量量子化精品課件

1、14001400K K800800K K10001000K K12001200K K例如，鐵塊隨著溫度例如，鐵塊隨著溫度升高：升高： 現(xiàn)象：現(xiàn)象：表明：表明：鐵塊輻射電磁波鐵塊輻射電磁波不發(fā)光不發(fā)光暗紅暗紅 赤紅赤紅 橘紅橘紅 黃白色黃白色 1. 1. 一切物體，在任何溫度下都在輻射各種波長一切物體，在任何溫度下都在輻射各種波長的電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)的電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān), ,故稱為故稱為熱輻熱輻射射。熱輻射熱輻射輻射電磁波的特性與輻射電磁波的特性與溫度有關(guān)溫度有關(guān)。一、熱輻射一、熱輻射但是強度不同。但是強度不同。熱輻射強度按波長熱輻射強度按波長( (頻率頻率) )的分

2、布和溫度有關(guān)，的分布和溫度有關(guān)， 高溫物體發(fā)出的是高溫物體發(fā)出的是紫外光。紫外光。熾熱物體發(fā)出的是熾熱物體發(fā)出的是可見光，可見光，低溫物體發(fā)出的是低溫物體發(fā)出的是紅外光，紅外光， 溫度溫度 短波長的電磁波的比例短波長的電磁波的比例 。2.2.任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會有熱輻射。都會有熱輻射。熱輻射波譜是熱輻射波譜是連續(xù)譜，連續(xù)譜， 各種波長各種波長( (頻率頻率) )都有，都有，3 3、平衡熱輻射、平衡熱輻射 加熱一物體加熱一物體 物體的溫度恒定時物體的溫度恒定時物體所吸收的能量等于在同一物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量時間內(nèi)輻射的能

3、量這時得到的輻射稱為平衡熱輻射這時得到的輻射稱為平衡熱輻射不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看作可近似看作黑體黑體。二二. .黑體及黑體輻射黑體及黑體輻射 1.1.理想的熱輻射體是理想的熱輻射體是“絕對黑體絕對黑體”，簡稱，簡稱“黑體黑體”，它能完全吸收各種波長的輻射能，它能完全吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射而不發(fā)生反射，折射和透射. .2.2.黑體模型黑體模型帶小孔的不透明空腔帶小孔的不透明空腔帶帶小洞的煉鋼爐小洞的煉鋼爐向遠處觀察打開的窗子向遠處觀察打開的窗子近似黑體近似黑體平衡態(tài)時平衡態(tài)時 黑體輻射只依賴于黑體輻射只依賴于物體的溫度物體

4、的溫度,與構(gòu)成黑體的材料與構(gòu)成黑體的材料 形狀無關(guān)形狀無關(guān)3.3.說明：說明：黑體是個理想化的模型。黑體是個理想化的模型。例：例：開開小洞小洞的的煉鋼爐煉鋼爐，遠處的窗口等可近似看作黑體。，遠處的窗口等可近似看作黑體。 對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。一般物體的輻射一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，但有關(guān)，但黑體輻射電磁波的強度按波長的分布黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度只與黑體的溫度有關(guān)有關(guān)。三、黑體輻射的實驗規(guī)律三、黑體輻射的實驗規(guī)律 研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射研究黑體輻射的規(guī)律是了

5、解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。性質(zhì)的基礎(chǔ)。 1 1、測量黑體輻射的實驗原理圖、測量黑體輻射的實驗原理圖： 加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫度下的黑體，從小孔向外的輻射就是黑體輻射。度下的黑體，從小孔向外的輻射就是黑體輻射。T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K輻射強度輻射強度: :單位時間內(nèi)從物體單單位時間內(nèi)從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長的位面積上所發(fā)射的各種波長的總輻射能，稱為輻射強度?？傒椛淠?，稱為輻射強度。輻射強度輻射強度發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：隨溫度的升高隨溫度的升高各種波長的輻射強各種波長

6、的輻射強度都在增加；度都在增加； 輻射強度的最大值輻射強度的最大值向短波方向移動向短波方向移動)(0TM h=6.626 10-34Js 普朗克常量普朗克常量 輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學所允許的中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學所允許的可具有任意值。相應的能量是某一最小能量可具有任意值。相應的能量是某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：（稱為能量子）的整數(shù)

7、倍，即：11，22，33， . . n n。n n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為)3 , 2 , 1(nnhE 1900年年12月月14日普朗克在德國物日普朗克在德國物理學會上報告了自己的研究結(jié)果，他的理學會上報告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說，卻公式受到歡迎，但他的能量子假說，卻受到冷遇，當時沒有人相信他的假說。受到冷遇，當時沒有人相信他的假說。 能量子假說的提出，給經(jīng)典物理學打能量子假說的提出，給經(jīng)典物理學打開了一個缺口，為量子物理學安放了一開了一個缺口，為量子物理學安放了一塊奠基石，宣告量子物理學的誕生。塊奠基石，宣告量子物理學的誕生。 PlanckPlanck拋棄了

8、經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點，提出了舊觀點，提出了能量子、物體輻射或吸收能量能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進行的新觀點。只能一份一份地按不連續(xù)的方式進行的新觀點。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律創(chuàng)物理學研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律的認識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量的認識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學的誕生奠定了基礎(chǔ)。子力學的誕生奠定了基礎(chǔ)。19001900年

9、年1010月月1919日，普日，普朗克在德國物理學會會議朗克在德國物理學會會議上提出一個黑體輻射公式上提出一個黑體輻射公式32h kT2hM (T)=ce-1/ /-34h = 6.5510J sM.Planck 德國人德國人 18581947),(0Te 普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念入的觀念深感不安深感不安，只是在經(jīng)過十多年的努，只是在經(jīng)過十多年的努力證明任何復歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗力證明任何復歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅定地相信而告終之后，他才堅定地相信 h h 的引入確實的引入確實反映了新理論的本質(zhì)。反映了新理論的本質(zhì)。

10、 19181918年他榮獲諾貝爾物理學獎。年他榮獲諾貝爾物理學獎。 他的墓碑上只刻著他的姓名和他的墓碑上只刻著他的姓名和焦 秒-34h = 6.62610【例例2】煉鋼工人通過觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色，就煉鋼工人通過觀察煉鋼爐內(nèi)的顏色，就可以估計出爐內(nèi)的溫度，這是根據(jù)什么道理可以估計出爐內(nèi)的溫度，這是根據(jù)什么道理? 答案答案 根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知，當物體的溫度根據(jù)熱輻射的規(guī)律可知，當物體的溫度升高時，熱輻射中較短波長的成分越來越強，升高時，熱輻射中較短波長的成分越來越強，可見光所占份額增大，溫度越高紅光成分減少，可見光所占份額增大，溫度越高紅光成分減少，頻率比紅光大的其他顏色的光，為橙、黃、綠、頻率

11、比紅光大的其他顏色的光，為橙、黃、綠、藍、紫等光的成分就增多。因此可根據(jù)爐內(nèi)光藍、紫等光的成分就增多。因此可根據(jù)爐內(nèi)光的顏色大致估計爐內(nèi)的溫度的顏色大致估計爐內(nèi)的溫度 黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的眼前，眼前，紫外災難的疑點找到了紫外災難的疑點找到了，為人類解決了，為人類解決了一大難題。使熱愛科學的人們又一次倍感欣慰，一大難題。使熱愛科學的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？物理難題：物理難題： 18881888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一個帶負電的金發(fā)現(xiàn)一個帶負電的金屬

12、板被紫外光照射會放電。近屬板被紫外光照射會放電。近1010年以后，年以后，18971897年，年，J.ThomsonJ.Thomson發(fā)現(xiàn)了電子發(fā)現(xiàn)了電子 ，此時，人們認識到那就是從，此時，人們認識到那就是從金屬表面射出的電子，后來，這些電子被稱作光電子金屬表面射出的電子，后來，這些電子被稱作光電子(photoelectron)(photoelectron)，相應的效應叫做光電效應。人們，相應的效應叫做光電效應。人們本著對光的完美理論（光的波動性、電磁理論）進行本著對光的完美理論（光的波動性、電磁理論）進行解釋會出現(xiàn)什么結(jié)果？解釋會出現(xiàn)什么結(jié)果？ 問題問題: : 既然燈向外輻射的光能是分立的，

13、一既然燈向外輻射的光能是分立的，一份份的。份份的。 為何我們看不到燈的亮度發(fā)生變化？為何我們看不到燈的亮度發(fā)生變化？結(jié)論：結(jié)論：1 1、在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運動時我們可以、在宏觀尺度內(nèi)研究物體的運動時我們可以認為：物體的運動是連續(xù)的認為：物體的運動是連續(xù)的, ,能量變化是連續(xù)能量變化是連續(xù)的的, ,不必考慮量子化不必考慮量子化2 2、在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化、在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化問題與結(jié)論問題與結(jié)論 普朗克理論普朗克理論: : 能量在發(fā)射和吸收的時候，能量在發(fā)射和吸收的時候，不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的。能量是不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的。能量是h h 的整數(shù)

14、倍。的整數(shù)倍。每份能量為每份能量為: : E=hE=hsJh3410626.6900年年12月月14日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一于黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一年他年他42歲。普朗克把能量子引入物理學歲。普朗克把能量子引入物理學,正確地正確地破除了破除了”能量連續(xù)變化能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念的傳統(tǒng)觀念,成為現(xiàn)代成為現(xiàn)代物理學思想的基石之一物理學思想的基石之一,為我們打開了量子之門為我們打開了量子之門,就在就在1900年，一個名叫愛因斯坦年，一個名叫愛因斯坦(AlbertEinstein)的青年從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學的青年從蘇

15、黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(ETH)畢業(yè)，正在為將來的生活發(fā)愁。畢業(yè)，正在為將來的生活發(fā)愁。5年后他受量年后他受量子化啟發(fā)提出了光量子子化啟發(fā)提出了光量子,成功的解釋了光電效成功的解釋了光電效應應.就在那一年就在那一年,在丹麥，在丹麥，15歲的玻爾歲的玻爾(NielsBohr)正在哥本哈根的中學里讀書。玻爾有著好動的性格。正在哥本哈根的中學里讀書。玻爾有著好動的性格。學習方面，他在數(shù)學和科學方面顯示出了非凡的天學習方面，他在數(shù)學和科學方面顯示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齒和慘不忍睹的作文卻是全才，但是他的笨拙的口齒和慘不忍睹的作文卻是全校有名。校有名。13年后他提出了原子軌道量子化年后他提出了原子軌

16、道量子化.德布羅意德布羅意(LouisdeBroglie)當時當時8歲，還正在歲，還正在家里接受良好的幼年教育。后來他提出了物質(zhì)波家里接受良好的幼年教育。后來他提出了物質(zhì)波.再過再過12個月，維爾茲堡個月，維爾茲堡(Wurzberg)的一位著名的一位著名希臘文學教授就要喜滋滋地看著他的寶貝兒子小海希臘文學教授就要喜滋滋地看著他的寶貝兒子小海森堡森堡(WernerKarlHeisenberg)呱呱墜地。呱呱墜地。以上人物都將在我們的課文中出現(xiàn)以上人物都將在我們的課文中出現(xiàn).請同學們請同學們記住他們的名字記住他們的名字.能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學界幾百

17、年來信奉的界幾百年來信奉的“自然界無跳躍自然界無跳躍”的原則的原則直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理學家不予接受。量子論的出現(xiàn)，物理學界最學家不予接受。量子論的出現(xiàn)，物理學界最初的反應是極其冷淡的。人們只承認普朗克初的反應是極其冷淡的。人們只承認普朗克那個同實驗一致的經(jīng)驗性的輻射公式，而不那個同實驗一致的經(jīng)驗性的輻射公式，而不承認他的理論性的量子假說。承認他的理論性的量子假說。 遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但他不能理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對自己的發(fā)現(xiàn)長他不能理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對自己的發(fā)現(xiàn)長期惴惴不安。在發(fā)現(xiàn)能量子

18、之后的長達年期惴惴不安。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長達年時間，他總想退回到經(jīng)典物理學的立場。他曾時間，他總想退回到經(jīng)典物理學的立場。他曾在散步時對兒子說：在散步時對兒子說：“我現(xiàn)在做的事情，要么我現(xiàn)在做的事情，要么毫無意義，要么可能成為牛頓以后物理學上最毫無意義，要么可能成為牛頓以后物理學上最大的發(fā)現(xiàn)。大的發(fā)現(xiàn)?！?普朗克在做出量子假說時已年過四十。普朗克在做出量子假說時已年過四十。他受過嚴格的經(jīng)典物理學訓練，對經(jīng)典物理他受過嚴格的經(jīng)典物理學訓練，對經(jīng)典物理學十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學學十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學決裂，只是迫于事實的壓力，才不得不做出決裂，只是迫于事實的壓力，才不得不做出能量子的假說。他的能量子假說是不徹底的，能量子的假說。他的能量子假說是不徹底的，他的理論還是以承認電磁波本身的連續(xù)性為他的理論還是以承認電磁波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說僅僅局限于振基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說僅僅局限于振子對電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。子對電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。 年，愛因斯坦提出光量子假說，年，愛因斯坦提出光量子假說，成