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第六章 電磁現(xiàn)象與電磁波
第5節(jié) 量子化現(xiàn)象
手持測溫槍不與人體接觸，是如何測出體溫的呢？
思考：
1.知道熱輻射，了解黑體輻射的概念
2.了解能量子的概念及提出的科學(xué)過程
3.了解波粒二象性的概念
3.了解能級、能級躍遷、能量量子化、原子發(fā)射光譜等概念，初步認(rèn)識(shí)量子力學(xué)的建立在科技中的重要作用
一、光是一種電磁波
麥克斯韋
19世紀(jì)60年代，麥克斯韋建立了電磁場理論。 基于這一理論，他預(yù)言電磁波的存在。
麥克斯韋認(rèn)為：光是一種電磁波，它通過電場和磁場的相互激發(fā)可以在真空中傳播。
赫茲
1888年，赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，并且證明了電磁波和光一樣具有反射、折射、干涉和衍射等性質(zhì)。
他還證明了電磁波的速度與光速相等。
二、能量子假說
我們周圍一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與溫度有關(guān)，也稱熱輻射。
一切物體內(nèi)都存在不停運(yùn)動(dòng)的帶電微粒，帶電微粒的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場就會(huì)向外輻射電磁波。
1.熱輻射
輻射強(qiáng)度按波長的分布規(guī)律隨物體的溫度不同而不同。
當(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射中波長較短的成分越來越強(qiáng)。
把鐵塊投進(jìn)火爐中，隨著溫度的升高，鐵塊的顏色會(huì)慢慢發(fā)生變化。為什么會(huì)有這樣的變化呢？
1.熱輻射
二、能量子假說
用測溫槍測體溫時(shí)，人體向外輻射的電磁波不在可見光的范圍內(nèi)，我們?nèi)搜塾^察不到，測溫槍可以探測到，從而來判斷人體溫度高低。
1.熱輻射
二、能量子假說
二、能量子假說
我們知道，所有物體都發(fā)射出熱輻射，這種輻射就是電磁波
常溫下我們看到不發(fā)光的物體顏色就是物體表面反射光所致。
一個(gè)物體除了輻射外，物體表面還會(huì)反射外來的電磁波
二、能量子假說
2.黑體
如果某物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這物體稱為黑體。
（1）黑體不反射電磁波，但可以向外輻射電磁波。
（2）黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與它的溫度有關(guān)。
在現(xiàn)實(shí)生活中，若物體反射的電磁波遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輻射的電磁波時(shí)，我們就可以把他們當(dāng)成是黑體。
黑體輻射：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。
黑體輻射實(shí)驗(yàn)：隨著溫度的升高
（1）各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加；
（2）輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)。
0 1 2 3 4
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輻射強(qiáng)度
二、能量子假說
3.黑體輻射
實(shí)驗(yàn)
瑞利線
維恩線
為了得出同實(shí)驗(yàn)相符的黑體輻射公式，德國物理學(xué)家普朗克進(jìn)行了多種嘗試。
維恩和瑞利的理論解釋：
（1）維恩公式：在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)非常接近，在長波區(qū)則與實(shí)驗(yàn)偏離很大。
（2）瑞利公式：在長波區(qū)與實(shí)驗(yàn)基本一致，但在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符。
二、能量子假說
4.黑體輻射理論解釋
1900年底，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：
能量的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行。每一份的能量等于ε，稱為能量子，它的大小為
是電磁波的頻率，h是一個(gè)常量，后人稱之為普朗克常量，其值為
普朗克
二、能量子假說
5.能量子
三、光子假說
當(dāng)光照射在金屬上時(shí)，有時(shí)會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)，逸出的電子被稱為光電子。
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用不同頻率的光去照射陰極時(shí)，發(fā)現(xiàn)光的頻率越高，光電子動(dòng)能越大，頻率低于某一數(shù)值時(shí)，不論光的強(qiáng)度多大，都不能產(chǎn)生光電子。
光本身就是一個(gè)個(gè)不可分割的能量子，后來被叫做光子，其能量為：
愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：
三、光子假說
愛因斯坦
光照
光子被電子所吸收
一部分能量用來脫離金屬表面
一部分能量是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能
光電效應(yīng)的解釋：
四、光的波粒二象性
光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)表明，光是一種電磁波，具有波動(dòng)性。
光電效應(yīng)則表明，光在與物體相互作用時(shí)，光子表現(xiàn)出粒子性。
我們把光的這種既具有波動(dòng)性，又具有粒子性的性質(zhì)稱為光的波粒二象性
微觀世界中能量取分立值的觀念也適用于原子系統(tǒng)，原子的能量是量子化的。這些量子化的能量值叫作能級。
分立軌道
1 2 3 4
E4
E3
E2
E1
定態(tài)
躍遷
E4
E3
E2
E1
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
1.能量量子化
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
2.軌道量子化
玻爾
玻爾認(rèn)為，電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律，但軌道不能是任意的，只有半徑在符合一定條件時(shí)，這樣的軌道才是可能的，也就是說，電子的軌道是量子化的。電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射。
原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出的光子的能量，等于前后兩個(gè)能級之差。
由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。
氦原子光譜
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
3.能級差
玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用經(jīng)典理論和量子理論結(jié)合，計(jì)算出了氫的電子的軌道半徑和對應(yīng)的能量值（能級）。
氫原子能級
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
4
1
3
2
∞
n
E/eV
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
4.氫原子光譜
1.（多選）以下關(guān)于輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系的說法中正確的是（ 　）
A．物體在某一溫度下只能輻射某一固定波長的電磁波
B．當(dāng)鐵塊呈現(xiàn)黑色時(shí)，說明它的溫度不太高
C．當(dāng)鐵塊的溫度較高時(shí)會(huì)呈現(xiàn)赤紅色，說明此時(shí)輻射的電磁波中該顏色的光強(qiáng)度最強(qiáng)
D．早、晚時(shí)分太陽呈現(xiàn)紅色，而中午時(shí)分呈現(xiàn)白色，說明中午時(shí)分太陽溫度最高
BC
2.如圖所示為黑體輻射的規(guī)律，由此圖象得到下列結(jié)論正確的是（　　）
A．隨著溫度的降低，各種波長的輻射強(qiáng)度都增大
B．隨著溫度的降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)
C．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)
D．黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長無關(guān)
C
3.2022年5月5日，我國成功利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了地球上1200公里間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，這次實(shí)驗(yàn)的成功，意味著我國在量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域向前邁出了重要的一步。下列關(guān)于量子化的說法正確的是（ ）
A．愛因斯坦首先提出了“能量子”的概念
B．物體的長度是量子化的
C．對于宏觀帶電物體，其電荷量是量子化的
D．能量子與電磁波的頻率成反比
C
1.光是一種電磁波
2.能量子假說：能量的發(fā)射與吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行
3.光子假說：當(dāng)光和物質(zhì)相互作用時(shí)，光的能量不是連續(xù)的，而是一 份一份光量子，這些光量子被稱為光子
4.光的波粒二象性：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性
5.原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論：（1）能量量子化
（2）軌道量子化

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