3.5 微觀世界的量子化 課件 -高二上學期物理教科版（2019）必修第三冊

第三章電磁場與電磁波初步3.5微觀世界的量子化教科版（2019）高中物理必修第三冊目錄1234新課導入學習目標新課講解經(jīng)典例題5課堂練習6課堂小結(jié)學習目標1.知道熱輻射、黑體、黑體輻射的概念。2.了解普朗克的能量子假設。3.知道原子能級及能級躍遷理論。19世紀末，牛頓定律在各個領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，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學方面，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。新課導入于是，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--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？黑體輻射實驗后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場革命的風暴，烏云落地化為一場春雨，澆灌著兩朵鮮花。邁克爾遜-莫雷實驗一、波粒二象性17世紀牛頓主張微粒說，認為光是很小的高速運動的粒子流惠更斯認為光是一種波19世紀初光的干涉和衍射現(xiàn)象在實驗中被觀察到麥克斯韋后來進一步說明光是一種電磁波19世紀末光電效應等現(xiàn)象被證明了光具有粒子性愛因斯坦為了解釋光電效應，提出了光子說，他認為在空間中傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫作一個光量子，簡稱光子。發(fā)展歷程關于光的本性的討論很早就開始了，在17世紀，牛頓主張微粒說，即光是很小的高速運動的粒子流，而惠更斯則認為那是一種波，當時他們都沒有確切的證據(jù)證明自己的觀點。19世紀初，光的干涉和衍射現(xiàn)象在實驗中被觀察到，而干涉和衍射現(xiàn)象是波動特有的現(xiàn)象，于是波動說占據(jù)了統(tǒng)治地位，后來麥克斯韋更進一步說明光是一種電磁波。但到了19世紀末，包括光電效應等現(xiàn)象證明了光具有粒子性。愛因斯坦為了解釋光電效應，提出了光子說，他認為在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫作一個光量子，簡稱光子。波動和粒子，在宏觀世界里是完全不同的：波是連續(xù)的，粒子是分離的。但光既具有波動性，又具有粒子性，可以說光既是電磁波，也是光子流，它是具有“波粒二象性”的電磁性物質(zhì)。光子的靜止質(zhì)量為零，也不帶電，它只能以光速運動，它是一份一份的，但它具有波長和頻率。波粒二象性并不只是光才有的特性，而是微觀世界的共性。實驗已經(jīng)證明電子、質(zhì)子等實物粒子同樣具有波動性。宏觀物體的波動性我們檢測不到。波粒二象性：光既具有波動性，又具有粒子性。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。振動著的帯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叫做能量子。和我們學習電荷數(shù)類似：只能是元電荷的整數(shù)倍。微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化的二、能量量子化

4.普朗克的量子化假設的意義:(1)普朗克的能量子假設,使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的認識,對現(xiàn)代物理學的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學發(fā)展史上一個重大轉(zhuǎn)折點;(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征;(3)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)從從宏觀領域進入微觀領域，為量子力學的誕生奠定了基礎。數(shù)學家、哲學家萊布尼茲曾經(jīng)說道：“自然界不會突變。如果要對此提出疑問，那么世界將會出現(xiàn)許多間隙，這就迫使我們?nèi)テ蚯笊耢`來解釋自然現(xiàn)象了。間斷性同科學格格不入。”正是這樣的信條使普朗克害怕。他對兒子說，自己的發(fā)現(xiàn)要么是荒誕無稽的，要么也許是牛頓以來物理學最偉大的發(fā)現(xiàn)之一?！碑斎?，一種新的思想，一種新的觀念，要讓人們接受，是需要時間的。最早認識到能量量子化概念的意義和正確性的是年輕的物理學家愛因斯坦。5.愛因斯坦的光子概念

認為電磁場本身就是不連續(xù)的。也就是說，光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的這些能量子后來被叫作光子。

ε=hν（光子能量）一條光線光子微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作能級（energylevel）。分立軌道1

2

3

4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E1三、能級1、能級：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，輻射的光子的能量也是分立的，有確定的頻率，所以原子光譜只有一些分立的亮線。電子在能級間跳躍式變化的過程叫作躍遷原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差。能級差越大，v越高。20世紀20年代，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學技術中發(fā)揮了重要作用。核能的利用，計算機和智能手機的制造，激光技術等的應用都離不開量子力學。是量子力學引領我們邁入了現(xiàn)代社會，讓我們享受到非富多彩的現(xiàn)代生活。課堂練習1.氦—氖激光器發(fā)出波長為633nm的激光，當激光器的輸出功率為1mW時，每秒發(fā)出的光子數(shù)為(

)A．2.2×1015

B．3.2×1015C．2.2×1014

D．3.2×1014B課堂練習2．按照玻爾理論，一個氫原子中的電子從一半徑為ra的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到一半徑為rb的圓軌道上，已知ra>rb，則在此過程中（

）A．原子要發(fā)出一系列頻率的光子 B．原子要發(fā)出某一頻率的光子C．原子要吸收一系列頻率的光子 D．原子要吸收某一頻率的光子B課堂練習3．對應于3.4×10-19的能量子，其電磁輻射的頻率和波長各是多少？（普朗克常量h=6.63×10-34J·s，結(jié)果保留3位有效數(shù)字）【答案】5.13×1014，5.85×10-7【詳解】能量子與頻率