1、13.5 能量量子化能量量子化 把铁块投进火炉中，刚开始铁块只是发热，并不发光。随把铁块投进火炉中，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？变化呢？一、热辐射一、热辐射 我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分是度有关，所以叫作热辐射。物体在室温时，热辐射的主要成分
2、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，热辐射中波长较短的成分越来越强。例如，随着温度的升高，铁块从发中波长较短的成分越来越强。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（图热，再到发光，铁块的颜色也不断发生变化（图13.5 1）。）。 大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的大量实验结果表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。温度而有所不同。 除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜
3、色就是反射光所致。如波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。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，这种物体就叫作黑体。黑体虽然不反射电磁波，但是却可射，这种物体就叫作黑体。黑体虽然不反射电磁波，但是却可以向外辐射电磁波。因为黑体辐射电磁波的强度按波长的分布以向外辐射电磁波。因为黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有关，所以，在研究热辐射的规律时，人们特别只与它的温度有关，所以，在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究。注意对黑体辐射的研究。 物体中存在着不停运动的带电微粒，带电微粒的振动会
4、产生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。于是，人们很自然地要依据变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。但是，用经典的热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。但是，用经典的电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。电磁理论解释黑体辐射的实验规律时遇到了严重的困难。二、能量子二、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。最后他不得不承克进行了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。最后
5、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。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微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍。例如，可能是的整数倍。例如，可能是 或或 2、3这个不可再分的最小能量值这个不可再分的最小能量值 叫作能量子叫作能量子（energy quantum），它的大小为），它的大小为 h 是电磁波的频率，是电磁波的频率，h 是一个常量，后人称之为普朗克常量是一个常量，后人称之为普朗克常量（Planck cons
6、tant），其值为），其值为h 6.626 070 1510-34 借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好。长分布的公式，与实验符合得非常好。 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。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
7、观粒子的能量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。是不连续（分立）的。 年轻的爱因斯坦认识到了普朗克能量子假设的意义，他把能年轻的爱因斯坦认识到了普朗克能量子假设的意义，他把能量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是量子假设进行了推广，认为电磁场本身就是不连续的。也就是说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，说，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，三、能级三、能级 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。通常情况下，能量是量子
8、化的。这些量子化的能量值叫作能级。通常情况下，原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子原子处于能量最低的状态，这是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这受到高速运动的电子的撞击，有可能跃迁到较高的能量状态。这些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放些状态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。出光子。 原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量，等于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。由于原子的能级是分立的，所以放出的前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的
9、光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线（图的亮线（图13.5 2）。）。 19 世纪末和世纪末和 20 世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们的运动规律在很了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明。多情况下不能用经典力学来说明。20 世纪世纪 20年代，量子力学建年代，量子力学建立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技立了，它能够很好地描述微观粒子运动的规律，并在现代科学技术中发挥了重要作用。核能的利用，计算机和智能手机的制造，术中发挥了重要作用。核能的利用，计算机和智能手机的制造，激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入激光技术等的应用都离不开量子力学。是量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到丰富多彩的现代生活。了现代社会，让我们享受到丰富多彩的现代生活。课堂练习
