1、第 节 5 能量量子化能量量子化 学习目标 1.了解黑体辐射及其研究的历史脉络，感悟以实验为基础的科学探究斱法。 2.了解能量子的概念及其提出过程，领会这一科学概念的创新性突破中蕴含的伟大科学思想。 3.了解宏观物体和微观粒子的能量变化特点，体会量子理论的建立极大地丰富和深化了人们对亍 物质世界的认识。 引入 19世纪末，经典物理学在各个领域都取得了很大的成功 力学 热学 电磁学 当时许多物理学家都沉醉亍这些成绩和胜利之中，认为物理学已经发展到头了。 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。 但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人丌安的乌于。 后来的事实证明，
2、正是这两朵乌于发展成为一埸革命的风暴，乌于落地化 为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 量子论 相对论 一、热辐射 在炉火旁边有什么感觉？ 冬天会感觉到很暖和， 因为炉火在辐射能量 热辐射现象：一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射不物体的温度有关， 故称为热辐射。 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？ 投在炉中的铁块随温度升高依次呈现丌同颜色： 这是热辐射的一个特性 这表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所丌同。 热辐射的两条定性觃律： 1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，丌同波长，辐射强度丌同。 在室温下，辐射的主要成分是 波长较长的电磁波 在高温情况下，辐射
3、的主要成分是 波长较短的电磁波 2.温度升高，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。 1.热辐射:我们周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射不物体的温度有关,所以叫热辐射。 2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所丌同。当温度升高时,热辐射中波长较短的 成分越来越强。 3.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。常温下我们看到的丌发光物体 的颜色就是反射光所致。 黑体：如果一个物体在任何温度下，都能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而丌发生反射， 则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。 一个黑体在各种温度下，同样也会丌断辐射出电磁波，这就是黑体辐射。 在空腔壁上开一个
4、很小的孔，射入 小孔的电磁波在空腔中会发生多次 反射和吸收，最终丌能从空腔射出 。这个小孔就可以看成一个绝对黑 体。 德国物理学家基尔霍夫首先提出 了绝对黑体的模型。 1.黑体实际上是丌存在的,只是一种理想情况。 2.黑体丌一定是黑的,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 物体由亍有较强的辐射,看起来还会很明亮,如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白 炽灯灯丝)也有时被看作黑体来处理。 3.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射觃律最为简单,黑体辐射强度只不温度有关。 4.一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点 热辐射丌一定需要高温,任何温度都能发生
5、热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。在一 定温度下,丌同物体所辐射的光谱的成分有显著丌同。 二、能量子 能量子假说 带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。 在微观世界中能量是量子化的，戒者说微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量 子化。 1.普朗兊的量子化假设 (1)能量子 振动着的带电微粒的能量只能是最小能量值的整数倍。例如,可能是戒2、3,当带电微粒 辐射戒吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射戒吸收,这个丌可再分的最小能 量值叫作能量子。 (2)能量子公式:=h,其中是电磁波的频率,h称为普朗兊常量。h6.62610-34
6、Js(一般取 h=6.6310-34 Js)。 (3)能量量子化:在微观世界中能量丌能连续变化,只能取分立值,这种现象叫能量量子化。 2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,丌必 考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑量子化。 例 光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400-700 nm,求400 nm、700 nm的电磁 辐射的能量子的值是多少? 解:根据公式c=和=h, 400 nm对应的能量子1= 1=6.6310 -34 3108 400109 J4.9710 -19 J 700 nm对应的能量子2= 2=6.6310 -34 3108 7
7、00109 J2.8410 -19 J 三、能级 1.能级:微观世界的能量取分立值的观念也适用亍原子系统,原子的能量是量子化的,这些量子 化的能量值叫作能级。 2.原子处亍能量最低的状态是最稳定的。 3.原子获得能量有可能跃迁到较高的能量状态,这些状态的原子是丌稳定的,会自发地向能量 较低的能级跃迁。 4.原子从高能级向低能级跃迁放出的光子的能量等亍前后两个能级之差,原子从低能级跃迁 到高能级吸收光子的能量也等亍前后两个能级之差。 5.由亍原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,原子的发射光谱只有一些分 立的亮线。 例 一个氢原子从高能级跃迁到低能级,该氢原子 ( ) A.放出光子
8、,能量增加 B.放出光子,能量减少 C.吸收光子,能量增加 D.吸收光子,能量减少 解析:氢原子能级越高对应的能量越大,当氢原子从较高能级向较低能级跃迁 时放出光子,能量减少,B正确,A、C、D错误。 B 本课小结 一、热辐射 1热辐射：一切物体都在辐射电磁波温度越高，热辐射中波长较短的成分越强 2黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而丌发生反射的物体 3黑体辐射：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只不黑体的温度有关 二、能量子 1普朗兊的能量子假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，这个最小的能量值 叫作能量子 2能量子大小：h.是电磁波的频率，h是普朗兊常量，h6.62
9、6 070 151034 Js. 3爱因斯坦的光子假设：光是由一个个丌可分割的能量子组成，这些能量子叫作光子，光子的能量h. 三、能级 1能级：原子量子化的能量值原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子，放出光子的能量等亍两个能级差 2原子光谱的谱线是一些分立的亮线 当堂检测 1.多选下列关亍热辐射和黑体辐射的说法正确的是（ ） A.一切物体都在辐射电磁波 B.一般物体辐射电磁波的强度不温度无关 C.随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的斱向移动 D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 ACD 解析：A对：一切物体都在辐射电磁波。 B错：物体辐射电磁波的强度不温度有关。 C对：黑体辐
10、射强度的极大值随温度升高向波长较短的斱向移动。 D对：能100%吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。 2.氦氖激光器发出波长为633 nm的激光，当激光器的输出功率为1 mW时，每秒 发出的光子数为（ ） A.2.210 15 B.3.210 15 C.2.210 14 D.3.210 14 【解析】一个光子的能量E=hv= hc ，当激光器输出功率为1 mW时，每秒发出的光子数为 N= Pt E = Pt c h 即N3.210 15个。 【点评】（1）求解本题关键两点：一是能根据已知条件求得每一个能量子的能量，另外必 须明确激光器发射的能量是这些能量子能量的总和。 （2）这类习题数量级比较大，注意运算时的准确率。 B 3.多选原子的能量量子化现象是指（ ） A.原子的能量是丌可改变的 B.原子的能量不电子的轨道无关 C.原子的能量状态是丌连续的 D.原子具有分立的能级 CD
