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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
能量量子化
能量量子化掀起了物理學(xué)史上的一場(chǎng)革命，想象一下，能量不是連續(xù)流動(dòng)，而是像珍珠項(xiàng)鏈一樣，只能以特定的“量子”存在。這不僅改變了我們對(duì)光和物質(zhì)的理解，還催生了量子計(jì)算機(jī)和激光技術(shù)。
1.初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道量子論的主要內(nèi)容。
2.知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)，了解光的波粒二象性。
3.知道玻爾原子理論基本假設(shè)的主要內(nèi)容。
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(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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
1.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。
生活中，哪些物體可以看作是黑體？
遠(yuǎn)處的窗口
煙煤
遙遠(yuǎn)的恒星
開孔的黑盒子
射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終幾乎不能從小口射出
反射的電磁波遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輻射的電磁波
二、能量子假說
1.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)。
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輻射強(qiáng)度
二、能量子假說
2.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
3.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
4.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。
1.光電效應(yīng)
觀察實(shí)驗(yàn)，思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)視頻
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
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。
1.光電效應(yīng)
三、光子假說
2.光電效應(yīng)的解釋
如果光子的能量大于電子脫離金屬表面所需的能量，則電子脫離金屬表面產(chǎn)生光電子，且光的強(qiáng)度越大，光子的數(shù)量越多，則產(chǎn)生的光電子也越多；
否則，無論光的強(qiáng)度多大，都無法產(chǎn)生光電子。
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
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
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
經(jīng)典理論認(rèn)為：
電子在圍繞著原子核要向外輻射電磁波，電子因能量減少而最終落到原子核上。
實(shí)際情況：原子是穩(wěn)定的
經(jīng)典理論認(rèn)為：
電子軌道變化是連續(xù)的，輻射電磁波頻率等于繞核運(yùn)動(dòng)頻率，原子光譜應(yīng)該是連續(xù)光譜。
實(shí)際情況：原子光譜是不連續(xù)的，是線狀譜
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
1.軌道量子化
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。
玻爾
（1）電子在不同軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)能量是不同的，軌道的量子化勢(shì)必對(duì)應(yīng)著能量的量子化，這些量子化的能量值叫作能級(jí)。
（2）這些具有確定的能量穩(wěn)定狀態(tài)稱為定態(tài)；
（3）能量最低的狀態(tài)叫作基態(tài)；
（4）原子只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中。
（5）原子的能量：原子的能量值是核外電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能與原子所具有的電勢(shì)能的總和。
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
2.能量量子化
3.躍遷假設(shè)（頻率條件）
（1）躍遷：原子由一個(gè)能量態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè)能量態(tài)的過程稱為躍遷。
（2）電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷：
庫侖力做正功，減小電勢(shì)能，原子的能量減少，要輻射出能量，這一能量以光子的形式放出。
（3）電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷：
電子克服庫侖引力做功，增大電勢(shì)能，原子的能量增加，要吸收能量。
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
（4）當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道m(xù)躍遷到能量較低的定態(tài)軌道n時(shí)，會(huì)輻射出能量為hv的光子，這個(gè)光子的能量由前后兩個(gè)能級(jí)的能量差決定，即hv=Em－En。反之會(huì)吸收光子。
3.躍遷假設(shè)（頻率條件）
五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論
1. 關(guān)于黑體及黑體輻射，下列說法正確的是（ ）
A. 黑體是真實(shí)存在的
B. 普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公
式，與實(shí)驗(yàn)符合得非常好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元
C. 隨著溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度有些會(huì)增強(qiáng)，有些會(huì)減弱
D. 黑體輻射無任何實(shí)驗(yàn)依據(jù)
B
2.2022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(duì)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
3. 下列關(guān)于玻爾的理論敘述錯(cuò)誤的是（ ）
A. 原子中的電子繞原子核高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行軌道的半徑不是任意的，有特定的軌道
B. 玻爾理論指出氫原子能級(jí)是分立的，所以原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的
C. 原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是吸收能量的過程
D. 玻爾將量子觀念引入原子領(lǐng)域，其理論能夠解釋氫原子光譜的特征
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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