1、第5节 能量量子化第十三章电磁感应与电磁波初步课标定位课标定位1 1、了解黑体辐射和能量子的概念。、了解黑体辐射和能量子的概念。2 2、了解黑体辐射的实验规律。、了解黑体辐射的实验规律。3 3、了解能级、跃迁以及基态、激发态等概念。、了解能级、跃迁以及基态、激发态等概念。4 4、会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量。、会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量。素养阐释素养阐释1 1、物理观念：黑体辐射、能量子、跃迁物理观念：黑体辐射、能量子、跃迁2 2、科学思维：通过探究黑体辐射的实验规律，、科学思维：通过探究黑体辐射的实验规律，理解能量量子化、轨道量子化，初步了解量子理解能量量子化、轨道量子化，
2、初步了解量子理论。理论。引入引入观察铁钉的颜色变化，思考产生这种现象的原因？观察铁钉的颜色变化，思考产生这种现象的原因？固体或液体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由固体或液体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。所辐射电磁波的特征与温度有关。一、热辐射一、热辐射无论是高温物体还是低无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，温物体，都有热辐射，所辐射的能量及波长的所辐射的能量及波长的分布都随温度而变化。分布都随温度而变化。铁块从发热到发光
3、的颜色变化1 1、热辐射、热辐射:一切物体由于分子、原子受到激发都在辐射电磁波，这一切物体由于分子、原子受到激发都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，故称为热辐射；种辐射与温度有关，故称为热辐射；2 2、热辐射强度按波长分布情况随温度变化而不同：温度升高，辐、热辐射强度按波长分布情况随温度变化而不同：温度升高，辐射电磁波中短波长成分更多；射电磁波中短波长成分更多；固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400 K800 K1000 K1200K3 3、黑体：、黑体：除了除了热辐射热辐射外，外，物体物体表面还会吸收和反射外来的电磁波，表面还会吸收和反射外来的电磁波，如果某物体能够完全
4、吸收入射各种波长的电磁波而不发生反射，这如果某物体能够完全吸收入射各种波长的电磁波而不发生反射，这物体称为物体称为黑体。黑体。一座建设中楼房还没有安装窗子，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，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，把窗内的亮度与楼外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？你会发现什么？为什么？近似黑体近似黑体 研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。研究黑体辐射是了解一般物体热辐射性质的基础。4.4.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难1)1)维恩的半经验公式：维恩的半经验公式：短波符合，长波不符合短波符合，长波不符合
5、2)2)瑞利瑞利 金斯公式：金斯公式：长波符合，短波荒唐长波符合，短波荒唐 紫外灾难紫外灾难维恩线维恩线紫紫 外外 灾灾 难难 0 0实验值实验值/mm M,T 1 12 23 34 45 56 67 78 8瑞利瑞利 金斯线金斯线 解释实验曲线解释实验曲线 一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云【课堂反馈课堂反馈1】黑体辐射的实验规律如图黑体辐射的实验规律如图,由图可知由图可知 ()A A随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加B B随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加C C随温度升高，辐射强度的极大值随温度升高，辐射
6、强度的极大值向波长较短的方向移动向波长较短的方向移动D D随温度降低，辐射强度的极大值随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动向波长较长的方向移动ACD二、能量子二、能量子为了对黑体辐射做出解释，德国物理学家普朗克为了对黑体辐射做出解释，德国物理学家普朗克推导：微观世界的某些规律，看来可能非常奇怪。推导：微观世界的某些规律，看来可能非常奇怪。1.1.定义：定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值能是某一最小能量值 的整数倍的整数倍。例如，可能是例如，可能是 或或2 2、3 3 当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这当带电微粒辐射或吸
7、收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值个不可再分的最小能量值 叫做叫做能量子能量子。普朗克普朗克18581858194719472.2.能量子大小能量子大小：对于频率为对于频率为 的能量子，的能量子，它的大小它的大小：=h=h h h=6.626=6.626 1010-34-34J J/s s普朗克常量普朗克常量能量能量量子量子经典经典4.4.光子说光子说：爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，把能量子假设进行了推广，他提出：把能量子假设进行了推广，他提出：光本身
8、就是由一光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为个个不可分割的能量子组成的，频率为v v的光的能量子的光的能量子为为h h。这些能量子后来被称为光子。这些能量子后来被称为光子。3.3.能量的量子化：能量的量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化只能取一系列分立值，不能连续变化.M,T 1900.10.19 1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式这不仅成功地解决了热辐这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物射中的难题，而且开创物理学研究新局面，为量子理学研究新局面，为量子力学的诞生奠定了基础。力学的诞生奠定了
9、基础。19051905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；光电效应；19061906年，他又将量子理论运用到固体比年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功。热问题，获得成功。19121912年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展。构模型，取得了原子物理学划时代的进展。19221922年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子年，康普顿通过实验最终使物理学
10、家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。【课堂检测课堂检测2】氦氦氖激光器发出波长为氖激光器发出波长为633 nm633 nm的激光，当激光器的激光，当激光器的输出功率为的输出功率为1 mW1 mW时，每秒发出的光子数为时，每秒发出的光子数为()A A2.22.210101515B B3.23.210101515C C2.22.2101014 14 D D3.23.210101414B BPtN hc h解析：一个光子能量为：解析：一个光子能量为：每秒发出的光子数为每秒发出的光子数为15102.3N个个三、能级三、能级1
11、2345-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540 eVnE/eV基态激发态原子核电子+玻尔玻尔原子原子模型模型图示图示量子数微观世界中能量量子化的微观世界中能量量子化的观念也适用于原子系统观念也适用于原子系统1 1、能级：能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。2 2、基态：、基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。近的轨道上运动，这种定态叫基态。3 3、激发态：、激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。除基态以外的能量较高的其他能级，叫
12、做激发态。4 4、原子发光现象：、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，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，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。所以原子光谱只有一些分立的亮线。针对原子光谱是线状谱针对原子光谱是线状谱(分立分立)提出提出5、跃迁量子化假说、跃迁量子化假说E412345E1E3E2E5En原子从一种定态（能量为原子从一种定态（能量为E Em m）跃迁）跃迁到另一定态（
13、能量为到另一定态（能量为E En n）时，会）时，会辐辐射射 (或吸收或吸收)一定频率的光子。一定频率的光子。光子光子的能量由这两个定态的能量差决定的能量由这两个定态的能量差决定，即：即：mnhEE 首先便是我们所熟知的一切电首先便是我们所熟知的一切电子产品，都有必备的晶体管，子产品，都有必备的晶体管，便是根据量子力学所研究出来便是根据量子力学所研究出来的，无论是的，无论是AMDAMD又或者是英特又或者是英特尔，再者我们手机中的尔，再者我们手机中的CPU,CPU,他他们能够运行都归功于量子力学。们能够运行都归功于量子力学。在天文学，或者是天气预报时，对在天文学，或者是天气预报时，对于时间的要求
14、是十分准确的，准确于时间的要求是十分准确的，准确到不能有到不能有0.010.01秒的偏差，因为其导秒的偏差，因为其导致的结果是灾难性的，所以，根据致的结果是灾难性的，所以，根据量子原理所组建的原子钟，完美的量子原理所组建的原子钟，完美的解决了这个问题，最厉害的艳原子解决了这个问题，最厉害的艳原子钟，即使过了钟，即使过了20002000万年，其时间误万年，其时间误差依然能保持在差依然能保持在1 1秒之内。秒之内。在军事领域上，量子力学可谓是大在军事领域上，量子力学可谓是大显神威，无论是核武器的研究，又显神威，无论是核武器的研究，又或者是导弹系统的创建它都参与其或者是导弹系统的创建它都参与其中，甚
15、至连激光武器，都离不开量中，甚至连激光武器，都离不开量子力学。激光武器之所以能被开发子力学。激光武器之所以能被开发运用，其根本理论来源于普朗克发运用，其根本理论来源于普朗克发现的量子力学原理。现的量子力学原理。【课堂反馈课堂反馈3】氢原子从能级氢原子从能级m m跃迁到能级跃迁到能级n n时辐射红光的频率为时辐射红光的频率为 1 1，从能级从能级n n跃迁到能级跃迁到能级k k时吸收紫光的频率为时吸收紫光的频率为 2 2，已知普朗克常量为，已知普朗克常量为h h，若氢原子从能级若氢原子从能级k k跃迁到能级跃迁到能级m m，则，则()A.A.吸收光子的能量为吸收光子的能量为hh1 1hh2 2B
16、.B.辐射光子的能量为辐射光子的能量为hh1 1hh2 2C.C.吸收光子的能量为吸收光子的能量为hh2 2hh1 1D.D.辐射光子的能量为辐射光子的能量为hh2 2hh1 1D课堂小结课堂小结一、热辐射一、热辐射二、能量子二、能量子三、能级三、能级能级能级能级跃迁能级跃迁定义定义大小大小：=量子化量子化光子光子 热辐射热辐射黑体黑体【课堂检测课堂检测1】(多选多选)关于辐射强度与波长的说法正确的是关于辐射强度与波长的说法正确的是()A A物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波 B B当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高当铁块呈现黑色时，说明
17、它的温度不太高C C当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强颜色的光强度最强D D早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高太阳温度最高BCBC【课堂检测课堂检测2】人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为人眼对绿光较为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm530 nm的绿光时，只要每秒钟有的绿光时，只要每秒钟有6 6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为能察觉。普朗克常量为6.6
18、36.6310103434 Js Js，光速为，光速为3.03.010108 8 m/s m/s，则，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A.2.3A.2.310101818 W W B.3.8B.3.810101919 W WC.7.0C.7.010101010 W W D.1.2D.1.210101818 W WA A【课堂检测课堂检测3】红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道的闪光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道的闪光，每道闪光称为一个脉冲。现有一红宝石激光器，发射功率为每道闪光称为一个脉冲。现有一红宝石激光器，发射功率为P P1.0
19、1.010106 6 W W，所发射的光脉冲持续时间，所发射的光脉冲持续时间 t t1.01.010101111 s s，波长为，波长为693.4 693.4 nm(1 nmnm(1 nm10109 9 m)m)，求：，求：(1)(1)每个光脉冲的长度；每个光脉冲的长度；(2)(2)每个光脉冲含有的光子数。每个光脉冲含有的光子数。(已知已知h h6.636.6310103434 Js Js，结果保留，结果保留2 2位有效数字位有效数字)解析解析(1)(1)根据根据s sct ct可知每个光脉冲的长度可知每个光脉冲的长度s sc c t t3 310108 81.01.010101111 m m3.03.010103 3 m m。
