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

13.5 能量量子化 物体中存在着不停运动的带电微粒，带电微粒的振动会产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。 把铁块投进火炉中，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。铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。为什么会有这样的变化呢? 一、热辐射 1.一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。 物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。 2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 例如，随着温度的升高，铁块从发热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化。 一、热辐射 直接研究热辐射的规律太过复杂！ 常温下我们看到不发光的物体颜色就是物体表面反射光所致。 如果某种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，会怎样？ 大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。 提出问题 思考与讨论 一座建设中楼房还没有安装窗子，尽管室内已粉刷，如果从远处观察，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？ 黑体：如果某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，这物体称为黑体。 近似黑体 研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。 黑体辐射 只与温度有关。 黑体 黑体辐射：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。 黑体辐射实验：随着温度的升高 各种波长的辐射强度都有增加； 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 0 1 2 3 4 1700K 1500K 1300K 1100K 辐射强度 黑体辐射 安徽省宁国中学 史俊志 二、黑体辐射 3.黑体辐射的理论解释 (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。 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。 【练习2】（2022春·湖南常德·高二汉寿县第一中学校考阶段练习）如图所示为黑体辐射的规律，由此图象得到下列结论正确的是（　　） A．随着温度的降低，各种波长的辐射强度都增大 B．随着温度的降低，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 C．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 D．黑体热辐射的强度与波长无关 【参考答案】C 课堂练习 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叫作能量子，它的大小为 是电磁波的频率，h 是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为 微观 宏观 连续 分立的，量子化 能量子 宏观世界的连续性 借助于能量子的假说，普朗克得出的黑体辐射的强度按波长的分布公式，与实验符合的非常好。 能量子的观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同，例如，一个宏观的单摆，小球在摆动的过程中，受到摩擦阻力的作用，能量不断减小，能量的变化是连续的。而普朗克的假设则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。 能量子 比喻：电磁波就好像是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一份电磁波就好像是一颗子弹。 普朗克的能量子假设,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。成为物理学发展史上一个重大转折点; 普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观世界的基本特征; 不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。 能量量子化假说的意义 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： 微观世界中能量取分立值的观念也适用于原子系统，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫作能级（energy level）。 分立轨道 1 2 3 4 E4 E3 E2 E1 定态 跃迁 E4 E3 E2 E1 能级 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，辐射的光子的能量也是分立的，有确定的频率，所以原子光谱只有一些分立的亮线。 电子在能级间跳跃式变化的过程叫作跃迁。 原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于前后两个能级之差。 能级差越大，v越高。 能级（波尔假设） 【练习5】由中国健康发展研究中心发布《国民视觉健康报告》白皮书显示，我国学生的近视患病率在逐年增加。课业负担重、沉迷电子产品已成为影响青少年视力的两大“杀手”。现代医学采用激光“焊接”视网膜技术来治疗近视，所用激光的波长 。已知普朗克常量 ，光在真空中传播速度 ，则该激光中每个光子的能量为（　　） A． B． C． D． 【参考答案】A 课堂练习 纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面．将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官．糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果．一台功率为10W的氩激光器，能发出波长 的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要的能量 J ，求： （1）每次“点焊”视网膜的时间． （2）在这段时间内发出的激光光子的数量． $$