13.5能量量子化課件高二上學(xué)期物理人教版2

5.能量量子化19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell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(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:“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工作就行了”。也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，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(xué)家，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，還有兩朵令人不安的烏云，……”這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。

然而,事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)從第二朵烏云中降生了相對論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。問題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？為什么有這樣的變化呢？小窗口播放一、熱輻射1、熱輻射:一切物體由于分子、原子受到激發(fā)都在輻射電磁波，這種輻射與溫度有關(guān)，故稱為熱輻射；2、熱輻射強度按波長分布情況隨溫度變化而不同：溫度升高，輻射電磁波中短波長成分更多；固體在溫度升高時顏色的變化1400K800K1000K1200K3、黑體：除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外來的電磁波，如果某物體能夠完全吸收入射各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這物體稱為黑體。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強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)．因而反映了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.4.經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難

解釋實驗曲線──一朵令人不安的烏云1)維恩的半經(jīng)驗公式：短波符合，長波不符合2)瑞利─金斯公式：長波符合，短波荒唐──紫外災(zāi)難維恩線紫外災(zāi)難0實驗值/μm12345678瑞利

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金斯線二、能量子為了得出同實驗相符的黑體輻射公式,德國物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試,進(jìn)行了激烈的思想斗爭。最后他不得不承認(rèn):微觀世界的某些規(guī)律在我們宏觀世界看來可能非常奇怪。1900年底,普朗克作出了這樣的大膽假設(shè):振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……這個不可再分的最小能量值ε的叫作能量子(energyquantum)。普朗克能量子假說1.輻射物體中包含大量振動著的帶電微粒，它們的能量是某一最小能量的整數(shù)倍：E=nε

n=1，2，……2.ε

叫能量子，簡稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)—能量量子化；3.諧振子只能一份一份按不連續(xù)方式輻射或吸收能量；4.對于頻率為

ν

的諧振子，最小能量為：ε

=hv

h=6.626

10─34J·s—普朗克常量

能量量子經(jīng)典能量子——超越牛頓的發(fā)現(xiàn)維恩線紫外災(zāi)難0實驗值λ/μm12345678瑞利

─金斯線普朗克1900.10.19普朗克在德國物理學(xué)會會議上提出一個黑體輻射公式

黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的眼前，紫外災(zāi)難的疑點找到了，為人類解決了一大難題。使熱愛科學(xué)的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)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(xué)家不予接受。量子論的出現(xiàn)，物理學(xué)界最初的反應(yīng)是極其冷淡的。人們只承認(rèn)普朗克那個同實驗一致的經(jīng)驗性的輻射公式，而不承認(rèn)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(dá)14年時間，他總想退回到經(jīng)典物理學(xué)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(xué)上最大的發(fā)現(xiàn)。”普朗克在做出量子假說時已年過四十。他受過嚴(yán)格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)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，他的理論還是以承認(rèn)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(xué)劃時代的進(jìn)展。1922年，康普頓通過實驗最終使物理學(xué)家們確認(rèn)光量子圖景的實在性，從而使量子理論得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。－－－－－－－12345-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540

eVnE/eV∞基態(tài)激發(fā)態(tài)氫原子能級圖原子核電子+玻爾原子模型圖示量子數(shù)微觀世界中能量量子化的觀念也適用于原子系統(tǒng)2、成功預(yù)言了氫原子存在其它系譜線－－－－－－－－－－－－－－－－－12345-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540eVnE/eV∞巴耳末系可見光1、成功解釋了氫原子的巴耳末系譜線2、成功預(yù)言了氫原子的其它系譜線δγβα400nm-----------------可見光區(qū)---------------700nm紅外線區(qū)紫外線區(qū)HHHH656nm486nm434nm410nm賴曼系紫外線帕邢系布喇開系普豐特系紅外線1、能級：氫原子的各個定態(tài)的能量值，叫它的能級。2、基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動，這種定態(tài)叫基態(tài)。3、激發(fā)態(tài)：除基態(tài)以外的能量較高的其他能級，叫做激發(fā)態(tài)。4、原子發(fā)光現(xiàn)象：原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的形式輻射出去，這就是原子發(fā)光現(xiàn)象。三、能級能量子的發(fā)展意義首先便是我們所熟知的一切電子產(chǎn)品，注意是一切電子產(chǎn)品，因為在電子產(chǎn)品中必備的晶體管，便是根據(jù)量子力學(xué)所研究出來的，無論是AMD又或者是英特爾，再者我們手機中的高通驍龍CPU,他們能夠存儲數(shù)十億個處理器全部都有歸功于量子力學(xué)。在天文學(xué)，或者是天氣預(yù)報時，對于時間的要求是十分準(zhǔn)確的，準(zhǔn)確到不能有0.01秒的偏差，因為他們所有運算關(guān)于大自然又或者是星體軌跡的運算即使出現(xiàn)了0.01的偏差其導(dǎo)致的結(jié)果也是災(zāi)難性的，所以，根據(jù)量子原理所組建的原子鐘，完美的解決了這個問題