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(共24張PPT)
第三章 電磁場與電磁波初步
3.5微觀世界的量子化
教科版（2019）高中物理必修第三冊
目 錄
1
2
3
4
新課導入
學習目標
新課講解
經典例題
5
課堂練習
6
課堂小結
學習目標
1. 知道熱輻射、黑體、黑體輻射的概念。
2. 了解普朗克的能量子假設。
3. 知道原子能級及能級躍遷理論。
19世紀末，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規律——能量轉化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中，他們認為物理學已經發展到頭了。
新課導入
于是，1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上,著名物理學家開爾文勛爵作了展望新世紀的發言:
“科學的大廈已經基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。” --開爾文--
但開爾文畢竟是一位重視現實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：
“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，----”
這兩朵烏云是指什么呢？
黑體輻射實驗
后來的事實證明，正是這兩朵烏云發展成為一場革命的風暴，烏云落地化為一場春雨，澆灌著兩朵鮮花。
邁克爾遜-莫雷實驗
一、波粒二象性
17世紀
牛頓主張微粒說，認為光是很小的高速運動的粒子流
惠更斯認為 光是一種波
19世紀初
光的干涉和衍射現象在實驗中被觀察到
麥克斯韋后來進一步說明光是一種電磁波
19世紀末
光電效應等現象被證明了光具有粒子性
愛因斯坦為了解釋光電效應，提出了光子說，他認為在空間中傳播的光是不連續的，而是一份一份的，每一份叫作一個光量子，簡稱光子。
發展歷程
關于光的本性的討論很早就開始了，在 17 世紀，牛頓主張微粒說，即光是很小的高速運動的粒子流，而惠更斯則認為那是一種波，當時他們都沒有確切的證據證明自己的觀點。
19 世紀初，光的干涉和衍射現象在實驗中被觀察到，而干涉和衍射現象是波動特有的現象，于是波動說占據了統治地位，后來麥克斯韋更進一步說明光是一種電磁波。但到了19 世紀末，包括光電效應等現象證明了光具有粒子性。愛因斯坦為了解釋光電效應，提出了光子說，他認為在空間傳播的光是不連續的，而是一份一份的，每一份叫作一個光量子，簡稱光子。
波動和粒子，在宏觀世界里是完全不同的 ：波是連續的，粒子是分離的。但光既具有波動性，又具有粒子性，可以說光既是電磁波，也是光子流，它是具有“波粒二象性”的電磁性物質。
光子的靜止質量為零，也不帶電，它只能以光速運動，它是一份一份的，但它具有波長和頻率。波粒二象性并不只是光才有的特性，而是微觀世界的共性。
實驗已經證明電子、質子等實物粒子同樣具有波動性。宏觀物體的波動性我們檢測不到。
波粒二象性：光既具有波動性，又具有粒子性。
微觀世界的某些規律，在我們宏觀世界看來可能非常奇怪。
振動著的帯電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍例如，可能是ε或2ε、3ε…這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
和我們學習電荷數類似：只能是元電荷的整數倍。
微觀
宏觀
連續
分立的，量子化的
二、能量量子化
1.能量子定義
普朗克認為,振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值 的整數倍,當帶電微粒輻射或吸收能量時,也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的,這個不可再分的最小能量值 叫做能量子。
2.能量子大小
=h 其中 是電磁波的頻率, h 稱為普朗克常量---h=6.626×10-34J·s
(一般取h=6.63×10-34J·s)
3.能量的量子化
在微觀世界中能量是量子化的,或者說微觀粒子的能量不是連續的,只能取分立值,為能量子 的整數倍.即 E= n (n 叫做量子數)。
4.普朗克的量子化假設的意義:
(1)普朗克的能量子假設,使人類對微觀世界的本質有了全新的認識,對現代物理學的發展產生了革命性的影響。成為物理學發展史上一個重大轉折點;
(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它體現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，而且開創物理學研究新局面，標志著人類對自然規律的認識已經從從宏觀領域進入微觀領域，為量子力學的誕生奠定了基礎。
數學家、哲學家萊布尼茲曾經說道：
“自然界不會突變。如果要對此提出疑問，那么世界將會出現許多間隙，這就迫使我們去乞求神靈來解釋自然現象了。間斷性同科學格格不入。”
正是這樣的信條使普朗克害怕。他對兒子說，
自己的發現要么是荒誕無稽的，要么也許是牛頓以來物理學最偉大的發現之一。”
當然，一種新的思想，一種新的觀念，要讓人們接受，是需要時間的。最早認識到能量量子化概念的意義和正確性的是年輕的物理學家愛因斯坦。
5.愛因斯坦的光子概念
認為電磁場本身就是不連續的。也就是說，光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的這些能量子后來被叫作光子。
ε=hν
（光子能量）
一條光線
光子
微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作能級（energy level）。
分立軌道
1 2 3 4
E4
E3
E2
E1
定態
躍遷
E4
E3
E2
E1
三、能級
1、能級：各個定態的能量值，叫它的能級。
2、基態：在正常狀態下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動，這種定態叫基態。
3、激發態：除基態以外的能量較高的其他能級，叫做激發態。
4、原子發光現象：原子從較高的激發態向較低的激發態或基態躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的形式輻射出去，輻射的光子的能量也是分立的，有確定的頻率，所以原子光譜只有一些分立的亮線。
電子在能級間跳躍式變化的過程叫作躍遷
原子從高能態向低能態躍遷時放出的光子的能量，等于前后兩個能級之差。
能級差越大，v越高。
20世紀20年代，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規律，并在現代科學技術中發揮了重要作用。
核能的利用，計算機和智能手機的制造，激光技術等的應用都離不開量子力學。是量子力學引領我們邁入了現代社會，讓我們享受到非富多彩的現代生活。
課堂練習
1.氦—氖激光器發出波長為633 nm的激光，當激光器的輸出功率為1 mW時，每秒發出的光子數為(　　)
A．2.2×1015　
B．3.2×1015
C．2.2×1014
D．3.2×1014
B
課堂練習
2．按照玻爾理論，一個氫原子中的電子從一半徑為ra的圓軌道自發地直接躍遷到一半徑為rb的圓軌道上，已知ra>rb，則在此過程中（ ）
A．原子要發出一系列頻率的光子
B．原子要發出某一頻率的光子
C．原子要吸收一系列頻率的光子
D．原子要吸收某一頻率的光子
B
課堂練習
3．對應于3.4×10-19的能量子，其電磁輻射的頻率和波長各是多少？（普朗克常量h=6.63×10-34J·s，結果保留3位有效數字）
【答案】5.13×1014，5.85×10-7
【詳解】能量子與頻率的關系為E=hν；解得其電磁輻射的頻率為
頻率與波長的關系為
解得其電磁輻射的波長為
課堂小結
電磁波的發現及其應用
微觀世界的量子化
電磁場
電磁波
電磁波譜
電磁波的應用
波粒二象性
能量量子化
既有波動性又有粒子性
感謝觀看
THANK YOU

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