(讲义)第3章 5.微观世界的量子化-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第三册(教科版2019)

5．微观世界的量子化 学习任务 1．知道光具有波粒二象性，知道能量量子化及氢原子的能级图。 2．理解能量量子化，能用氢原子的能级图解释跃迁及氢原子光谱中的谱线产生的原因。 3．通过氢原子的能级图探究氢原子光谱。 4．感知各种物体都有波粒二象性和能级跃迁，感受人类对物质世界认识的不断进步，深刻地改变了人类社会。 一、波粒二象性 1．质能方程： E＝mc2建立了质量与能量的联系，认为质量和能量都是物质存在的形式。 2．光的波动性；光的干涉和衍射及后来麦克斯韦更进一步说明光是一种电磁波，证明光具有波动性。 3．光的粒子性：光电效应等现象证明了光具有粒子性。 4．波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。也就是具有波粒二象性。 注意：电子、质子等实物粒子同样跟光一样都具有波粒二象性。 二、能量量子化 1．能量量子化：能量是一份一份的，不连续的，我们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。 2．能级：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。 3．基态：原子处于能量最低的状态，这是最稳定的状态。 4．激发态：原子变到能量较高的状态。 5．跃迁：当氢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。 说明：跃迁时吸收或释放的能量都等于两能级的能量差，而不是任意的数值，是量子化的。 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)普朗克量子假说认为微观粒子的能量是不连续的。 (√) (2)原子的能量是连续的。 (×) (3)光子的能量是一份一份的，不连续的。 (√) (4)光既有波动性也有粒子性，但是在干涉中只有波动性。 (×) 2．普朗克常量是自然界的一个基本常数，它的数值是(　　) A．6.02×10－23 mol　　 B．6.625×10－3 mol·s C．6.626×10－34 J·s D．1.38×10－16 mol·s C　[普朗克常量是一个定值，由实验测得它的精确数值为6.626×10－34 J·s，在记忆时关键要注意它的单位，C正确。] 3．氢原子的核外电子由离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上，下列说法正确的是(　　) A．氢原子的能量减少 B．氢原子的能量不变 C．核外电子受力变小 D．氢原子要吸收一定频率的光子 A　[核外电子从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道的过程中，原子能级减小，总能量减少，所以A正确，B错误；根据F＝可知，轨道半径减小，则核外电子受力变大，故C错误；从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道的过程中，总能量减少，要放出一定频率的光子，故D错误。] 玻尔认为，电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动，如氢原子中电子运动轨道的最小半径是0.53×10－10 m，其他的轨道半径只能是2.12×10－10 m、4.77×10－10 m等，轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值，经典物理学的观点是怎样的？ 提示：根据经典理论，随着不断向外辐射能量，电子的能量减少，电子绕原子核运行的轨道半径连续地减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造地球卫星受到阻力作用不断损失能量后，要落到地面上的一样。 考点1　能量子的理解 1．能量的量子化 在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化。 2．能量子观点 普朗克能量子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分立的。爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说，每一份叫作一个光量子，简称光子。 3．对能量量子化的理解 (1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。 (2)在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。 【典例1】　人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是(　　) A．2.3×10－18 W　　　　 B．3.8×10－19 W C．7.0×10－10 W D．1.2×10－18 W 思路点拨：(1)1 nm＝10－9 m。 (2)由ε＝hν＝h计算单个光子的能量。 A　[因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝，式中E＝6ε，t＝1 s，又ε＝hν＝h，可解得P＝ W≈2.3×10－18 W，A正确。]