《能量量子化》PPT課件.ppt

,無(wú)錫市第一中學(xué),19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面獲得巨大成就。在熱學(xué)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，建立了能推斷一切電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程。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(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。,材料鑒賞:,1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)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:,也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩科學(xué)家只要把做過的實(shí)驗(yàn)再精確一下，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面再加幾位罷了！,但開爾文畢竟是一位重視現(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：,這兩朵烏云是指什么呢？,黑體輻射實(shí)驗(yàn),光的速度,后來(lái)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。,普朗克量子力學(xué)的誕生,相對(duì)論問世,這兩朵烏云到底是什么回事呢？,經(jīng)典力學(xué),量子力學(xué),相對(duì)論,微觀領(lǐng)域,高速領(lǐng)域,能量量子化,物理學(xué)的新紀(jì)元,第一節(jié)：,思考與討論,1，在爐火旁邊有什么感覺？ 2，投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會(huì)兒又是什么顏色？,固體在溫度升高時(shí)顏色的變化：,熱輻射現(xiàn)象：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。 輻射規(guī)律： 1.輻射的電磁波中包含各種波長(zhǎng)的電磁波，不同波長(zhǎng)，輻射強(qiáng)度不同。 2. 溫度升高，輻射強(qiáng)度增大，同時(shí)輻射電磁波的頻率和波長(zhǎng)也在變化。,問題：如何研究物體的熱輻射規(guī)律？,注意：除了熱輻射外，物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來(lái)的電磁波， 例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來(lái)很黑，其實(shí)是它吸收所有電磁波，反射的電磁波很弱。 那么：在研究物體熱輻射中，應(yīng)如何避免反射電磁波的影響？,一，黑體及黑體輻射 理想的熱輻射體是“絕對(duì)黑體”，簡(jiǎn)稱“黑 體”。它在任何溫度下都能全部吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射。,在空腔壁上開一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔中會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個(gè)小孔就可以看成一個(gè)絕對(duì)黑體。,德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫首先提出了絕對(duì)黑體的模型。,說明： 黑體是個(gè)理想化的模型。例：開孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。 實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)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 規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱輻射的規(guī)律時(shí)人們特別注意對(duì)黑體輻射的研究。,0 1 2 3 4 5 6,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,二：黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,隨著溫度的升高： 1，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加； 2，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。,你能由圖找到黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律嗎？,瑞利公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)(波長(zhǎng)范圍在紫外線附近)竟算得輻射強(qiáng)度為無(wú)窮大，這個(gè)荒謬的結(jié)論被認(rèn)為是物理學(xué)理論的災(zāi)難，當(dāng)時(shí)稱為“紫外災(zāi)難”。,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。,三、能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn),微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世弄看來(lái)可能非常奇怪。, 普朗克能量子理論,*微觀粒子的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，E=n （n=1,2,），這個(gè)不可再分的最小能量值叫能量子。n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。,* 帶電微粒吸收和輻射能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的。,h=6.62610-34 J*S -普朗克常數(shù),*能量子的能量：=h （ 是輻射吸收的電磁波的頻率）,理論與實(shí)驗(yàn)符合的讓人擊掌叫絕,1800K,能量量子化：,宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。例如：物體的重力勢(shì)能，彈簧振子的彈性勢(shì)能。 微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個(gè)一個(gè)的特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子化），例如：物體的帶電量，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。 量子化：只能取一系列分立值，不能連續(xù)變化 你能舉出生活中“量子化”例子嗎？ 普朗克的量子化理論改變了人們對(duì)世界的根本認(rèn)識(shí)。1900年不僅成為新世紀(jì)的開始，也成為物理學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元。18年后，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,問題與練習(xí),在一杯開水中放入一枝溫度計(jì)，開水靜置室內(nèi)，可以看到開水的溫度是逐漸降低的，既然從微觀的角度來(lái)看能量是一份一份向外輻射的，為什么它的溫度不是一段一段地降低？,解釋：,1.開水向外輻射的每一分能量子能量很?。ㄎ⒂^量），而水降低1釋放的能量很大（宏觀量），由于溫度計(jì)的精度不夠，所以觀察到的溫度計(jì)溫度不是一段一段地降低的。 2.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量變化時(shí)我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化。（因?yàn)槊總€(gè)能量子的能量很小，宏觀物體的能量不連續(xù)變化非常不明顯，可以忽略不計(jì)。） 3.在研究微觀粒子時(shí)必需考慮能量量子化,意義： 普朗克拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點(diǎn)，提出了能量量子化、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。這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(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)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)。,擴(kuò)展閱讀:變革的困難,1900年12月14日普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說，卻受到冷遇，當(dāng)時(shí)沒有人相信他的假說。 能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)界幾百年來(lái)信奉的“自然界無(wú)跳躍”的原則直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理學(xué)家不予接受,物理學(xué)界最初的反應(yīng)是極其冷淡的。人們只承認(rèn)普朗克那個(gè)同實(shí)驗(yàn)一致的經(jīng)驗(yàn)性的輻射公式，而不承認(rèn)他的理論性的量子假說。,遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但他不能理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期惴惴不安。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長(zhǎng)達(dá)年時(shí)間，他總想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場(chǎng)。他曾在散步時(shí)對(duì)兒子說：“我現(xiàn)在做的事情，要么毫無(wú)意義，要么可能成為牛頓以后物理學(xué)上最大的發(fā)現(xiàn)?！?普朗克在做出量子假說時(shí)已年過四十。他受過嚴(yán)格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)決裂，只是迫于事實(shí)的壓力，才不得不做出能量子的假說。他的能量子理論是不徹底的，他的理論還是以承認(rèn)電磁波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說僅僅局限于粒子對(duì)電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。,年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)；年，他又將量子理論運(yùn)用到固體比熱問題，獲得成功；年，玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立了他的原子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學(xué)劃時(shí)代的進(jìn)展；年，康普頓通過實(shí)驗(yàn)最終使物理學(xué)家們確認(rèn)光量子圖景的實(shí)在性，從而使量子理論得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。 科學(xué)的發(fā)展總是在困難中前進(jìn)，失敗不可怕，它是人類進(jìn)步的階梯。,課堂練習(xí),1.請(qǐng)你填空:在做全國(guó)人口普查時(shí)我們關(guān)心的是:現(xiàn)在全國(guó)有幾_人, 班級(jí)小組長(zhǎng)在數(shù)人數(shù)時(shí)常用:一_,兩_;等.,2.燈向外輻射的能量是最小能量的整數(shù)倍.那么紅光的最小能量比紫光的最小能量大還是小?,本節(jié)課的主要知識(shí): 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的, 在發(fā)射和吸收能量的時(shí)候，不是連續(xù)的，而是一份一份的。能量是h 的整數(shù)倍。 每份能量為: E=h,