6.1 量子论初步 课件-2023-2024学年高二下学期物理教科版（2019）选择性必修第三册

6.1 量子论初步 19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声等都遵循的规律——能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，他们认为物理学已经发展到头了。 于是，1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” --开尔文-- 但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----” 这两朵乌云是指什么呢？ 黑体辐射实验 光的速度 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 而关于黑体辐射的问题正是我们今天要学习的内容。 投入炉中的铁块随温度升高依次呈现不同颜色： 刚开始铁块只是发热，并不发光 随着温度的升高，铁块会慢慢变红，开始发光 投在炉中的铁块 800K 1000K 1200K 1400K 铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色 （1）站在炉火旁边有什么感觉？ （2）投在炉中的铁块一开始是什么颜色?过一会变成什么颜色？ 思考与讨论 寒冷的冬季， 我们喜欢围坐在炉火旁边取暖， 此时，我们并未与炉火直接接触， 为什么也能获得热量？ 热辐射： 一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。 辐射规律： 1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度 。 1）在室温下，辐射的主要成分是波长 的电磁波 2) 在高温下，辐射的主要成分是波长 的电磁波 2.温度升高，辐射强度 ，同时辐射电磁波的频率和波长也在 。 较长 较短 不同 增大 变化 T T 外来各种波长的辐射能 反射某些波长的辐射能 （随物而异） 吸收某些波长的辐射能 （随物而异） （故也随物而异） 发射各种波长的热辐射能 对热辐射规律的研究显得较复杂 不透明体 度 于 某 一 温 处 热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。 2、实际热辐射的复杂性 红外成像探测铀矿 红外夜视仪 红外测温 热辐射的应用 红外照相 问题：如何定量地研究物体的热辐射规律？ 注意：物体除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波 例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。 一座建设中的楼房还没安装窗子，但室内墙已经 粉刷。从远处看，将室内墙与楼房外墙的亮度相比 你会发现什么？为什么？ 一、黑体与黑体辐射 1.黑体：物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。 思考：那怎么样才能得到一个黑体啊？ 太阳，白炽灯灯丝近似当做黑体 带小孔的空腔 说明： ①黑体是个理想化的模型。 例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。 ②实验表明：对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。 而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。于是，在研究热辐射的规律时．人们特别注意对黑体辐射的研究。 (1)热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。 (2)黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在。 (3)黑体看上去黑，不是一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮 例如：炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理。 3、特别提醒： 2.黑体辐射：黑体向外辐射的电磁波（热辐射）。 差别大 它可能反映了某种具有普遍意义的客观规律，人们因此对黑体辐射进行了深入的实验及理论研究。 二、黑体辐射的实验规律 黑体辐射谱 随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加 相同温度下：黑体辐射强度随波长是变化的，中间有峰值 随温度升高，峰值增加且峰值向波长较短的方向移动 + - + - + - 1.黑体辐射的理论解释 物体中存在带电微粒 直接找规律有点儿困难，科学家打算结合理论来寻找这个公式。 2.维恩、瑞利——金斯的解释 ①维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大。 ②瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。 3.普朗克的解释 普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。 维恩公式和瑞利——金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。 (1)热辐射中包含大量振动着的带电微粒，它们的能量是某一最小能量ε的整数倍 能量子大小 ε 叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数——能量量子化 (2)谐振子（简谐振动的点电荷）只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量。 对于频率为ν的谐振子，最小能量为： ②h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。 ε = ν h ①其中ν是电磁波的频率，光在真空中 λ= c /ν 有 E= nε n = 1 , 2 , … 称为一个能量子 光本身就是一个个不可分割的能量子，后来被叫做光子，其能量为： 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出： 练习1 (多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知(　　) A.随温度的升高，各种波长的辐射能谱密度都增加 B.随温度的降低，各种波长的辐射能谱密度都增加 C.随温度的升高，辐射能谱密度的极大值向波长较短的方向移动 D.随温度的降低，辐射能谱密度的极大值向波长较长的方向移动 ACD　[由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误.] $$