能量量子化 選修3-5

無錫市第一中學19世紀末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機械運動方面獲得巨大成就。在熱學方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學方面，建立了能推斷一切電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律：能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經(jīng)發(fā)展到頭了。材料鑒賞:

1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上,著名物理學家開爾文勛爵作了展望新世紀的發(fā)言:

“科學的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?/p>

--開爾文--也就是說：物理學已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩科學家只要把做過的實驗再精確一下，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面再加幾位罷了！

但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：

“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，----”這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實驗光的速度后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學的誕生相對論問世這兩朵烏云到底是什么回事呢？經(jīng)典力學量子力學相對論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域能量量子化物理學的新紀元第一節(jié)：思考與討論1，在爐火旁邊有什么感覺？2，投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會兒又是什么顏色？800K1000K1200K1400K固體在溫度升高時顏色的變化：熱輻射現(xiàn)象：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。輻射規(guī)律：1.輻射的電磁波中包含各種波長的電磁波，不同波長，輻射強度不同。2.溫度升高，輻射強度增大，同時輻射電磁波的頻率和波長也在變化。問題：如何研究物體的熱輻射規(guī)律？注意：除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波，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，其實是它吸收所有電磁波，反射的電磁波很弱。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？一，黑體及黑體輻射

理想的熱輻射體是“絕對黑體”，簡稱“黑體”。它在任何溫度下都能全部吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射。

在空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔中會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個小孔就可以看成一個絕對黑體。德國物理學家基爾霍夫首先提出了絕對黑體的模型。說明：①黑體是個理想化的模型。例：開孔的空腔，遠處的窗口等可近似看作黑體。②實驗表明：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱輻射的規(guī)律時．人們特別注意對黑體輻射的研究。0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K二：黑體輻射的實驗規(guī)律隨著溫度的升高：1，各種波長的輻射強度都有增加；2，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。你能由圖找到黑體輻射的實驗規(guī)律嗎？

瑞利公式在長波部分與實驗結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)(波長范圍在紫外線附近)竟算得輻射強度為無窮大，這個荒謬的結(jié)論被認為是物理學理論的災(zāi)難，當時稱為“紫外災(zāi)難”。瑞利理論值維恩理論值實驗T=1646k維恩公式在短波部分與實驗結(jié)果吻合得很好，但長波卻不行。三、能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)

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。普朗克能量子理論*微觀粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，E=nε（n=1,2,…），這個不可再分的最小能量值ε叫能量子，簡稱量子。n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。*帶電微粒吸收和輻射能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的。

h=6.62610-34

J*S----普朗克常數(shù)

*能量子的能量：ε=h（是輻射吸收的電磁波的頻率）λ(μm)123568947普朗克理論實驗值理論與實驗符合的讓人擊掌叫絕1800K能量量子化：宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。例如：物體的重力勢能，彈簧振子的彈性勢能。微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個一個的特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子化），例如：物體的帶電量，電子繞原子核運動的軌道半徑。量子化：只能取一系列分立值，不能連續(xù)變化你能舉出生活中“量子化”例子嗎？普朗克的量子化理論改變了人們對世界的根本認識。1900年不僅成為新世紀的開始，也成為物理學的一個新紀元。18年后，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學獎。問題與練習

在一杯開水中放入一枝溫度計，開水靜置室內(nèi)，可以看到開水的溫度是逐漸降低的，既然從微觀的角度來看能量是一份一份向外輻射的，為什么它的溫度不是一段一段地降低？結(jié)論：1.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量變化時我們可以認為：物體的運動是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化。（因為每個能量子的能量很小，宏觀物體的能量不連續(xù)變化非常不明顯，可以忽略不計。）2.在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化意義：

普朗克拋棄了經(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舊觀點，提出了能量量子化、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。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)。擴展閱讀:變革的困難1900年12月14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。能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”的原則直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理學家不予接受,物理學界最初的反應(yīng)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)能量子之后的長達１４年時間，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：“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大的發(fā)現(xiàn)?！逼绽士嗽谧龀隽孔蛹僬f時已年過四十。他受過嚴格的經(jīng)典物理學訓(xùn)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。他的能量子理論是不徹底的，他的理論還是以承認電磁波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說僅僅局限于粒子對電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。１９０５年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)；１９０６年，他又將量子理論運用到固體比熱問題，獲得成功；１９１２年，玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立了他的原子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學劃時代的進展；１９２２年，康普頓通過實驗最終使物理學家們確認光量子圖景的實在性，從而使量子理論得到科學界的普遍承認。科學的發(fā)展總是在困難中前進，失敗不可怕，它是人類進步的階梯。課堂練習1.請你填空:在做全國人口普查時我們關(guān)心的是:現(xiàn)在全國有幾___人,班級小組長在數(shù)人數(shù)時常用:一___,兩___;等.3.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呢?請你與同桌討論一下,說說你的猜想.2.燈向外輻射的能量是最小能量的整