13.5能量量子化 课件-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

5. 能量量子化 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。 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”。 2 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！但开尔文毕竟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？ 一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。 然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村”。 问题 投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？ 为什么有这样的变化呢？ 小窗口播放 一、热辐射 1、热辐射:一切物体由于分子、原子受到激发都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，故称为热辐射； 2、热辐射强度按波长分布情况随温度变化而不同：温度升高，辐射电磁波中短波长成分更多； 固体在温度升高时颜色的变化 1400 K 800 K 1000 K 1200 K 3、黑体：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外来的电磁波，如果某物体能够完全吸收入射各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为黑体。 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强度按波长的分布只与黑体的温度有关．因而反映了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. 4. 经典物理学所遇到的困难 解释实验曲线 ── 一朵令人不安的乌云 1) 维恩的半经验公式： 短波符合，长波不符合 2) 瑞利 ─ 金斯公式： 长波符合，短波荒唐 ── 紫外灾难 维恩线 紫 外 灾 难 0 实验值 /μm 1 2 3 4 5 6 7 8 瑞利 ─ 金斯线 7 二、能量子 为了得出同实验相符的黑体辐射公式,德国物理学家普朗克进行了多种尝试,进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认:微观世界的某些规律在我们宏观世界看来可能非常奇怪。 1900年底,普朗克作出了这样的大胆假设: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。例如,可能是ε或2ε、3ε……这个不可再分的最小能量值ε的叫作能量子( energy quantum)。 普朗克能量子假说 1. 辐射物体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的整数倍：E = nε n = 1，2，…… 2. 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； 3. 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量； 4. 对于频率为 ν 的谐振子，最小能量为：ε = hv h = 6.62610 ─34 J·s — 普朗克常量 能量 量子 经典 能量子 —— 超越牛顿的发现 维恩线 紫 外 灾 难 0 实验值 λ/μm 1 2 3 4 5 6 7 8 瑞利 ─ 金斯线 普朗克 1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式 黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？ 能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受。 量子论的出现，物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。 遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达14年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。” 普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能量子假说是不彻底的，他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于振子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。 1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；1906年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功。 1912年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展。 1922年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。 －－－－－－－ 1 2 3 4 5 -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 eV n E/eV ∞ 基态 激发态 氢原子能级图 原子核 电子 + 玻尔原子模型图示 量子数 微观世界中能量量子化的观念也适用于原子系统 2、成功预言了氢原子存在其它系谱线 －－－－－－－－－－－－－－－－－ 1 2 3 4 5 -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 eV n E/eV ∞ 巴耳末系可见光 1、成功解释了氢原子的巴耳末系谱线 2、成功预言了氢原子的其它系谱线 δ γ β α 400nm-----------------可见光区---------------700nm 红外线区 紫外线区 H H H H 656nm 486nm 434nm 410nm 赖曼系 紫外线 帕邢系 布喇开系 普丰特系 红外线 1、能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。 2、基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。 3、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。 4、原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。 三、能级 能量子的发展意义 首先便是我们所熟知的一切电子产品，注意是一切电子产品，因为在电子产品中必备的晶体管，便是根据量子力学所研究出来的，无论是AMD又或者是英特尔，再者我们手机中的高通骁龙CPU,他们能够存储数十亿个处理器全部都有归功于量子力学。 在天文学，或者是天气预报时，对于时间的要求是十分准确的，准确到不能有0.01秒的偏差，因为他们所有运算关于大自然又或者是星体轨迹的运算即使出现了0.01的偏差其导致的结果也是灾难性的，所以，根据量子原理所组建的原子钟，完美的解决了这个问题，最厉害的艳原子钟，即使过了2000万年，其时间误差依然能保持在1秒之内。 在军事领域上，量子力学可谓是大显神威，无论是核武器的研究，又或者是导弹系统的创建它都参与其中，甚至连激光武器，都离不开量子力学。激光武器之所以能被开发运用，其根本理论来源于普朗克发现的量子力学原理，里面详细介绍了光子，电子等现代激光武器的原理。 谢谢 大家 $$