【高中物理】能量量子化(課件) 2023-2024學(xué)年高中物理同步備課（人教版2019必修第三冊）

第十三章電磁感應(yīng)與電磁波初步13.5能量量子化2023-2024學(xué)年高中物理同步備課必修第三冊目錄contents熱輻射0102能量子03能級04典例分析新課導(dǎo)入19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中，他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。新課導(dǎo)入

1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！薄_爾文

但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云.”兩朵烏云

后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。相對論(高速領(lǐng)域)量子力學(xué)(微觀領(lǐng)域)而關(guān)于黑體輻射的問題正是我們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。一朵與黑體輻射有關(guān)另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)（光的速度）想一想

在爐火旁邊有什么感覺？把鐵塊投進(jìn)火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會有這樣的變化呢？熱輻射01熱輻射

我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波，不能引起人的視覺。當(dāng)溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)。

隨著溫度的升高，鐵塊從發(fā)熱，再到發(fā)光，鐵塊的顏色也不斷發(fā)生變化。1400K800K1000K1200K常溫下我們看到不發(fā)光的物體顏色就是物體表面反射光所致。如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，會怎樣？大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。一般物體的熱輻射與溫度、材料及表面狀況有關(guān)。

黑體：如果某物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這物體稱為黑體。近似黑體黑體輻射只與溫度有關(guān)。一座建設(shè)中樓房還沒有安裝窗子，盡管室內(nèi)已粉刷，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？思考與討論研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。黑體輻射：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。012341700K1500K1300K1100K輻射強(qiáng)度黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體輻射實(shí)驗(yàn)：隨著溫度的升高

各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；

輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動。黑體輻射理論解釋實(shí)驗(yàn)瑞利線維恩線兩種理論：1.維恩的半經(jīng)驗(yàn)公式：短波符合，長波不符合。2.瑞利—金斯公式:長波符合，短波荒唐。

——紫外災(zāi)難為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，德國物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試。普朗克理論值能量子02能量子——超越牛頓的發(fā)現(xiàn)1900年底，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小為

是電磁波的頻率，h是一個常量，后人稱之為普朗克常量，其值為微觀宏觀連續(xù)分立的量子化能量子的觀點(diǎn)與宏觀世界中我們對能量的認(rèn)識有很大不同，例如，一個宏觀的單擺，小球在擺動的過程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的。而普朗克的假設(shè)則認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是不連續(xù)（分立）的。

借助于能量子的假說，普朗克得出的黑體輻射的強(qiáng)度按波長的分布公式，與實(shí)驗(yàn)符合的非常好。能量量子化假說的意義（1）普朗克的能量子假設(shè),使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識,對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學(xué)發(fā)展史上一個重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是物理學(xué)的一個新紀(jì)元。（2）普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征;（3）不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對自然規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。

光本身就是一個個不可分割的能量子，后來被叫做光子，頻率為ν的光其能量為：

愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：愛因斯坦與光子愛因斯坦的光子說能級03

微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作能級（energylevel）。分立軌道1

2

3

4E4E3E2E1定態(tài)躍遷E4E3E2E1能級

原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差。

由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。氦原子光譜能級差原子分立譜線E412345E1E3E2E5E∞n（1）原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差。如圖：hν=E4–E1。（2）當(dāng)電子吸收光子時會從較低的能量態(tài)躍遷到較高的能量態(tài)，吸收的光子的能量同樣由頻率條件決定。如圖：hν=E5–E2。玻爾理論對氫光譜的解釋：玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用經(jīng)典理論和量子理論結(jié)合，計算出了氫的電子的軌道半徑和對應(yīng)的能量值（能級）。氫原子能級-13.6-3.4-1.51-0.8504132∞nE/eV氫原子的能級

20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運(yùn)動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。

核能的利用，計算機(jī)和智能手機(jī)的制造，激光技術(shù)等的應(yīng)用都離不開量子力學(xué)。是量子力學(xué)引領(lǐng)我們邁入了現(xiàn)代社會，讓我們享受到非富多彩的現(xiàn)代生活。量子力學(xué)與現(xiàn)代生活聆聽宇宙宇宙浩瀚無垠，神秘莫測。古人通過肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明拓展了人類的視野，使人們對天體的了解更加清楚。聆聽宇宙典例分析041.下列敘述正確的是(

)A.一切物體都在輻射電磁波B.一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體溫度有關(guān)D.黑體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波ACD2．下列說法正確的是（）A．微觀粒子的能量變化是跳躍式的B．能量子與電磁波的頻率成正比C．