高中物理 能量量子化課件

1第十七章能量量子化：物理學(xué)新紀(jì)元1第十七章能量量子化：物理學(xué)新紀(jì)元2量子物理引言

到十九世紀(jì)末期，物理學(xué)各個(gè)分支的發(fā)展都已日臻完善，并不斷取得新的成就。首先在牛頓力學(xué)基礎(chǔ)上，哈密頓和拉格朗日等人建立起來(lái)的分析力學(xué)，幾乎達(dá)到無(wú)懈可擊的地步，特別是十九世紀(jì)中期，海王星的發(fā)現(xiàn)充分表明了牛頓力學(xué)是完美無(wú)缺的。其次，通過(guò)克勞修斯、玻耳茲曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了體系完整而又嚴(yán)密的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

由安培、法拉第和麥克斯韋等人對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行的深入而系統(tǒng)的研究，為電動(dòng)力學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，特別是由麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程組預(yù)言了電磁波的存在，隨即被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。后來(lái)又把牛頓、惠更斯和菲涅耳所建立的光學(xué)也納入了電動(dòng)力學(xué)的范疇，更是一項(xiàng)輝煌的成就。2量子物理引言到十九世紀(jì)末期，物理學(xué)各個(gè)分支的發(fā)展都3

因此當(dāng)時(shí)許多著名的物理學(xué)家都認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律都已被發(fā)現(xiàn)，今后的任務(wù)只是把物理學(xué)的基本規(guī)律應(yīng)用到各種具體問(wèn)題上，并用來(lái)說(shuō)明各種新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)而已。就連當(dāng)時(shí)赫赫有名對(duì)物理學(xué)各方面都做出過(guò)重要貢獻(xiàn)的權(quán)威人物開(kāi)耳文在一篇于1900年發(fā)表的瞻望二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的文章中也說(shuō)：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只需要做一些零星的修補(bǔ)工作就行了”，不過(guò)接著又指出：“但是在物理晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小令人不安的烏云”，即運(yùn)用當(dāng)時(shí)的物理學(xué)理論所無(wú)法正確解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一個(gè)是熱輻射現(xiàn)象中的紫外災(zāi)難，另一個(gè)是否定絕對(duì)時(shí)空觀的邁克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)。正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，打消了當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)物理學(xué)家的盲目樂(lè)觀情緒，為后來(lái)建立近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)作出了貢獻(xiàn)。3因此當(dāng)時(shí)許多著名的物理學(xué)家都認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律都4事實(shí)上還有第三朵小小的烏云，這就是放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，它有力地表明了原子不是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，原子也是可以分割的。

所有這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的，它們使經(jīng)典物理處于十分困難境地，為擺脫這種困境，有一些思想敏銳而又不受舊觀念束縛的物理學(xué)家紛紛重新思考研究，在二十世紀(jì)初期，建立起了近代物理的兩大支柱------量子論和相對(duì)論，并在這個(gè)基礎(chǔ)上又建立起以研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為目的的原子物理學(xué)，后來(lái)又進(jìn)一步發(fā)展，相繼建立起原子核物理學(xué)和基本粒子物理學(xué)，這些內(nèi)容統(tǒng)稱為量子物理學(xué)。4事實(shí)上還有第三朵小小的烏云，這就是放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，它有力5黑體與黑體輻射5黑體與黑體輻射6

任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布都與溫度有關(guān)。①.物體在任何溫度下都會(huì)輻射能量。一、熱輻射現(xiàn)象注意②.物體既會(huì)輻射能量，也會(huì)吸收能量。物體在某個(gè)頻率范圍內(nèi)發(fā)射電磁波能力越大，則它吸收該頻率范圍內(nèi)電磁波能力也越大。

輻射和吸收的能量恰相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)溫度恒定不變。

這種由于物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。6任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波7

實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積。7實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的8

物體具有向四周輻射能量的本領(lǐng)，又有吸收外界輻射來(lái)的能量。

黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體。二、黑體與黑體輻射1.黑體

對(duì)于任意溫度或波長(zhǎng)，絕對(duì)黑體的吸收比都恒為1。8物體具有向四周輻射能量的本領(lǐng)，又有吸收外界輻射來(lái)的9二、黑體與黑體輻射根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體。黑體是一種理想的模型，在自然界中并不存在完全理想的黑體。

可把一個(gè)開(kāi)小孔的不透光空腔看成黑體。如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物。9二、黑體與黑體輻射根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收10２.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中將開(kāi)有小孔的空腔視為黑體，使其恒溫，測(cè)量從小孔中輻射出來(lái)的電磁波強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況。實(shí)驗(yàn)裝置10２.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)中將開(kāi)有小孔的空11

實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1）隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有增加；2）隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)。

如何從理論上推導(dǎo)出符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的函數(shù)表達(dá)式就成為當(dāng)時(shí)物理學(xué)中引入注目的問(wèn)題之一。維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式：維恩公式11實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1）隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有增12

維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻不行。瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式.瑞利-瓊斯維恩理論值實(shí)驗(yàn)T=1646k

瑞利—瓊斯公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得單色輻出度為無(wú)窮大—所謂的“紫外災(zāi)難”。

利用經(jīng)典理論無(wú)法解釋黑體輻射現(xiàn)象。正如1900年開(kāi)耳文指出的晴朗的物理學(xué)理論大廈上空，飛來(lái)“兩朵烏云”之一，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理的基礎(chǔ)。12維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻13

1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律和瑞利--瓊斯公式之間用內(nèi)插法建立了一個(gè)普遍公式.普朗克公式該公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。實(shí)驗(yàn)瑞利-瓊斯維恩理論值T=1646k瑞利-瓊斯普朗克理論值131900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律14①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視振子。這些振子可以吸收或輻射能量。對(duì)頻率為的振子，它具有的最小能量是h，能具有的其它能量值是h的整數(shù)倍。②.空腔壁上帶電振子所吸收或發(fā)射的能量是h的整數(shù)倍。普朗克常數(shù)*振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。*能量是分立的，不是連續(xù)的。存在著能量的最小單元（能量子=h)；

為了能夠從理論上推導(dǎo)出這個(gè)公式，普朗克提出了一個(gè)與經(jīng)典物理學(xué)概念截然不同的“能量子”假設(shè)：三、普朗克的能量子假設(shè)14①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視振子。這些振子可以吸收或輻15

普朗克由于提出能量子假設(shè)，為此獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

根據(jù)普朗克能量子假設(shè)，很容易從理論上推導(dǎo)出普朗克公式。15普朗克由于提出能量子假設(shè)，為此獲1918年諾貝爾16

例：已經(jīng)證明，1S內(nèi)進(jìn)入眼睛的光，若波長(zhǎng)556nm,當(dāng)光子數(shù)達(dá)到57個(gè)時(shí)能引起眼睛的視覺(jué)。設(shè)某點(diǎn)光源發(fā)射的光波長(zhǎng)為556nm，功率為2W，若不計(jì)途中損失，眼睛最遠(yuǎn)在多大距離能觀察到這個(gè)光源？（設(shè)瞳孔在暗處的直徑為4nm）16例：已經(jīng)證明，1S內(nèi)進(jìn)入眼睛的光，若波長(zhǎng)556nm171.測(cè)量黑體溫度

在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度。2.光學(xué)高溫計(jì)----光測(cè)高溫高溫爐燈絲目鏡聚焦透鏡四、黑體輻射的應(yīng)用調(diào)節(jié)R，當(dāng)燈絲溫度>爐溫時(shí)，燈絲在爐孔像的背景上顯示出亮線。當(dāng)燈絲溫度<爐溫時(shí)，燈絲在爐孔像的背景上顯示出暗線。當(dāng)燈絲溫度=爐溫時(shí)，燈絲在爐孔像的背景上消失。由通過(guò)燈絲電流強(qiáng)度可算出爐溫T。171.測(cè)量黑體溫度在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔18第十七章能量量子化：物理學(xué)新紀(jì)元1第十七章能量量子化：物理學(xué)新紀(jì)元19量子物理引言

到十九世紀(jì)末期，物理學(xué)各個(gè)分支的發(fā)展都已日臻完善，并不斷取得新的成就。首先在牛頓力學(xué)基礎(chǔ)上，哈密頓和拉格朗日等人建立起來(lái)的分析力學(xué)，幾乎達(dá)到無(wú)懈可擊的地步，特別是十九世紀(jì)中期，海王星的發(fā)現(xiàn)充分表明了牛頓力學(xué)是完美無(wú)缺的。其次，通過(guò)克勞修斯、玻耳茲曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了體系完整而又嚴(yán)密的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

由安培、法拉第和麥克斯韋等人對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行的深入而系統(tǒng)的研究，為電動(dòng)力學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，特別是由麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程組預(yù)言了電磁波的存在，隨即被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。后來(lái)又把牛頓、惠更斯和菲涅耳所建立的光學(xué)也納入了電動(dòng)力學(xué)的范疇，更是一項(xiàng)輝煌的成就。2量子物理引言到十九世紀(jì)末期，物理學(xué)各個(gè)分支的發(fā)展都20

因此當(dāng)時(shí)許多著名的物理學(xué)家都認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律都已被發(fā)現(xiàn)，今后的任務(wù)只是把物理學(xué)的基本規(guī)律應(yīng)用到各種具體問(wèn)題上，并用來(lái)說(shuō)明各種新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)而已。就連當(dāng)時(shí)赫赫有名對(duì)物理學(xué)各方面都做出過(guò)重要貢獻(xiàn)的權(quán)威人物開(kāi)耳文在一篇于1900年發(fā)表的瞻望二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的文章中也說(shuō)：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只需要做一些零星的修補(bǔ)工作就行了”，不過(guò)接著又指出：“但是在物理晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小令人不安的烏云”，即運(yùn)用當(dāng)時(shí)的物理學(xué)理論所無(wú)法正確解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一個(gè)是熱輻射現(xiàn)象中的紫外災(zāi)難，另一個(gè)是否定絕對(duì)時(shí)空觀的邁克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)。正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，打消了當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)物理學(xué)家的盲目樂(lè)觀情緒，為后來(lái)建立近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)作出了貢獻(xiàn)。3因此當(dāng)時(shí)許多著名的物理學(xué)家都認(rèn)為物理學(xué)的基本規(guī)律都21事實(shí)上還有第三朵小小的烏云，這就是放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，它有力地表明了原子不是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，原子也是可以分割的。

所有這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的，它們使經(jīng)典物理處于十分困難境地，為擺脫這種困境，有一些思想敏銳而又不受舊觀念束縛的物理學(xué)家紛紛重新思考研究，在二十世紀(jì)初期，建立起了近代物理的兩大支柱------量子論和相對(duì)論，并在這個(gè)基礎(chǔ)上又建立起以研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為目的的原子物理學(xué)，后來(lái)又進(jìn)一步發(fā)展，相繼建立起原子核物理學(xué)和基本粒子物理學(xué)，這些內(nèi)容統(tǒng)稱為量子物理學(xué)。4事實(shí)上還有第三朵小小的烏云，這就是放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，它有力22黑體與黑體輻射5黑體與黑體輻射23

任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布都與溫度有關(guān)。①.物體在任何溫度下都會(huì)輻射能量。一、熱輻射現(xiàn)象注意②.物體既會(huì)輻射能量，也會(huì)吸收能量。物體在某個(gè)頻率范圍內(nèi)發(fā)射電磁波能力越大，則它吸收該頻率范圍內(nèi)電磁波能力也越大。

輻射和吸收的能量恰相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)溫度恒定不變。

這種由于物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。6任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波24

實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短和發(fā)射的面積。7實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的25

物體具有向四周輻射能量的本領(lǐng)，又有吸收外界輻射來(lái)的能量。

黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體。二、黑體與黑體輻射1.黑體

對(duì)于任意溫度或波長(zhǎng)，絕對(duì)黑體的吸收比都恒為1。8物體具有向四周輻射能量的本領(lǐng)，又有吸收外界輻射來(lái)的26二、黑體與黑體輻射根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體。黑體是一種理想的模型，在自然界中并不存在完全理想的黑體。

可把一個(gè)開(kāi)小孔的不透光空腔看成黑體。如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物。9二、黑體與黑體輻射根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收27２.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

實(shí)驗(yàn)中將開(kāi)有小孔的空腔視為黑體，使其恒溫，測(cè)量從小孔中輻射出來(lái)的電磁波強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況。實(shí)驗(yàn)裝置10２.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)中將開(kāi)有小孔的空28

實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1）隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有增加；2）隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)。

如何從理論上推導(dǎo)出符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的函數(shù)表達(dá)式就成為當(dāng)時(shí)物理學(xué)中引入注目的問(wèn)題之一。維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式：維恩公式11實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1）隨著溫度的升高，黑體的輻射強(qiáng)度都有增29

維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻不行。瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式.瑞利-瓊斯維恩理論值實(shí)驗(yàn)T=1646k

瑞利—瓊斯公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得單色輻出度為無(wú)窮大—所謂的“紫外災(zāi)難”。

利用經(jīng)典理論無(wú)法解釋黑體輻射現(xiàn)象。正如1900年開(kāi)耳文指出的晴朗的物理學(xué)理論大廈上空，飛來(lái)“兩朵烏云”之一，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理的基礎(chǔ)。12維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻30

1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律和瑞利--瓊斯公式之間用內(nèi)插法建立了一個(gè)普遍公式.普朗克公式該公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。實(shí)驗(yàn)瑞利-瓊斯維恩理論值T=1646k瑞利-瓊斯普朗克理論值131900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律31①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視振子。這些振子可以吸收或輻射能量。對(duì)頻率為的振子，它具有的最小能量是h，能具有的其它能量值是h的整數(shù)倍。②.空腔壁上帶電振子所吸收或發(fā)射的能量是h的整數(shù)倍。普朗克常數(shù)*振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。*能量是分立的，不是