第三章 5 微观世界的量子化-【金版教程】2023-2024学年新教材高中物理必修第三册创新导学案word（教科版2019）

5．微观世界的量子化 1．了解能量子和光子的概念，知道光具有波粒二象性，波粒二象性是微观世界的共性。2.了解能量量子化的概念及其提出的科学过程。3.了解能级的概念，并能解释原子光谱的分立特征。 一　波粒二象性 1．对光的本性的认识历程 (1)牛顿主张微粒说，即光是很小的高速运动的粒子流。 (2)惠更斯认为光是一种波，光的干涉和衍射现象说明光是一种波。 (3)麦克斯韦进一步说明光是一种电磁波。 (4)光电效应等现象证明光具有粒子性，爱因斯坦为了解释光电效应现象提出光子说。 2．能量子 最早提出量子理论的是普朗克，他在研究热辐射的规律时，发现电磁波的发射和吸收都是不连续的，他把每一份的能量叫作能量子，它的大小为ε＝hν，其中h＝6.626×10－34 J·s，称为普朗克常量，ν为波的频率。 3．光子说 爱因斯坦认为，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子。 4．波粒二象性 (1)光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，可以说光既是电磁波，也是光子流，它是具有“波粒二象性的”的电磁性物质。 (2)光子的特性 光子的静止质量为零，也不带电，它只能以光速运动，它是一份一份的，但具有波长和频率。 (3)实物粒子的波粒二象性 波粒二象性并不只是光才有的特性，而是微观世界的共性。实验已证明电子、质子等实物粒子同样具有波动性。宏观物体的波动性我们检测不到。 二　能量量子化 1．能量量子化：能量是一份一份的、不连续的，这在微观世界里是普遍的。 2．能级：根据量子力学的理论，原子的能量是量子化的，即一系列不连续的值，这些不连续的、量子化的能量值称为能级。通常情况下，原子处于能量最低的状态(称为基态)，这是最稳定的状态，在某些情况下(例如受到高速运动的电子的撞击等)，可能会变到能量较高的状态(称为激发态)。当原子的能量发生变化时，只能从某个能级“跳跃”到另一个能级，这个过程称为跃迁。从较低的能级跃迁到较高的能级，必须吸收能量；反之，则要释放出能量。这两个过程中吸收或释放出的能量都等于两能级的能量差。 1．判一判 (1)最早提出量子理论的是牛顿。(　　) (2)波粒二象性只是光才有的特性。(　　) (3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(　　) (4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(　　) (5)原子从低能级跃迁到高能级要吸收能量。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√ 2．想一想 光同时具有波粒二象性吗？还是有的光具有波动性，有的光具有粒子性？ 提示：光同时具有波动性和粒子性，只是有的情况下波动性更明显，有的情况下粒子性更明显而已。 探究　微观世界的量子化 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：干涉和衍射是一切波特有的现象。如图甲，(a)是光的双缝干涉条纹，(b)是光的单缝衍射条纹，据此可知道光是什么？ 提示：光是一种波。 活动2：如图乙，只有当光的频率ν不小于某一最小值时，才能从K极板打出电子形成电流，发生光电效应。光的经典电磁理论无法解释光电效应的这个规律。爱因斯坦为解释光电效应规律，借鉴普朗克的能量子理论，提出了光子说，他认为在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子，其能量为hν。这个假说完全解释了光电效应的所有实验规律。据此可知道光有什么性质？ 提示：光具有粒子性。 活动3：图丙是氦原子的发射光谱，光谱中只有一些分立的亮线，这说明原子的能量有什么特征？ 提示：氦原子的发射光谱只有一些分立的亮线，说明原子发出的光子的能量是分立的，则原子的能量是分立的。 1．普朗克的能量子理论 (1)普朗克的假设 振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 能量子公式：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s。 (2)普朗克的假设认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是不连续(分立)的。 (3)能量子理论在微观与宏观世界的联系与区别 由于ε＝hν极微小，所以在宏观尺度内研究物体的能量时，我们可以认为物体的能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子的能量时，能量量子化(ε＝hν)不可忽略，即必须考虑能量量子化。 (4)爱因斯坦把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子。 2．光的波粒二象性 (1)光具有粒子性：光子说能够成功地解释光电效应，说明光具有粒子性。 (2)光具有波动性：光能发生干涉、衍射，说明光具有波动性。 (3)光具有波粒二象性：光子说中光子能量公式ε＝hν。其中ν是光的频率，说