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13.5 能量量子化
第十二章电磁感应与电磁波初步
教学目标
1.了解热辐射。
2.知道能量子和普朗克常量。
3.了解能级及原子光谱。
引入
19世纪末，经典物理学在各个领域都取得了很大的成功
力学
热学
电磁学
当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中，认为物理学已经发展到头了。
引入
威廉·汤姆孙开尔文
科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。
但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。
引入
后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。
量子论
相对论
热辐射
在炉火旁边有什么感觉？
冬天会感觉到很暖和，
因为炉火在辐射能量
热辐射现象：一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，故称为热辐射。
投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？
投在炉中的铁块随温度升高依次呈现不同颜色：
这是热辐射的一个特性
这表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。
热辐射
热辐射
热辐射的两条定性规律：
1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度不同。
在室温下，辐射的主要成分是波长较长的电磁波
在高温情况下，辐射的主要成分是波长较短的电磁波
2.温度升高，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。
热辐射
1.热辐射:我们周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫热辐射。
2.辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。当温度升高时,热辐射中波长较短的成分越来越强。
3.除了热辐射外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的不发光物体的颜色就是反射光所致。
黑体
黑体：如果一个物体在任何温度下，都能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。
一个黑体在各种温度下，同样也会不断辐射出电磁波，这就是黑体辐射。
在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔中会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔就可以看成一个绝对黑体。
德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。
1.黑体实际上是不存在的,只是一种理想情况。
2.黑体不一定是黑的,只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的;有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射,看起来还会很明亮,如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也有时被看作黑体来处理。
3.黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射规律最为简单,黑体辐射强度只与温度有关。
4.一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点
热辐射不一定需要高温,任何温度都能发生热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。在一定温度下,不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。
黑体
黑体
黑体辐射
一个黑体在各种温度下，同样也会不断辐射出电磁波，这就是黑体辐射。
那么，在研究热辐射的规律时，人们为什么特别注意对黑体辐射进行研究？
实验表明：
对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，
而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。
黑体辐射
温度升高，各种波长的辐射强度都有增加；
温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
黑体
例1 (多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知(　　)
A.随温度升高,各种波长的辐射强度都增加
B.随温度降低,各种波长的辐射强度都增加
C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
ACD
黑体
为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克做了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。
普朗克
普朗克
微观世界的某些规律，在我们宏观世弄看来可能非常奇怪。
能量子
能量子假说
带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。
在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的，这种现象叫能量的量子化。
能量子
1.普朗克的量子化假设
(1)能量子
振动着的带电微粒的能量只能是最小能量值ε的整数倍。例如,可能是ε或2ε、3ε……,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h≈6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
(3)能量量子化:在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫能量量子化。
能量子
2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑量子化。
能量子
例2 光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400-700 nm,求400 nm、700 nm的电磁辐射的能量子的值是多少
解析:根据公式c=λν和ε=hν,
400 nm对应的能量子ε1==6.63×10-34× J≈4.97×10-19 J
700 nm对应的能量子ε2==6.63×10-34× J≈2.84×10-19 J
能级
玻尔认为,电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动,如氢原子中电子运动轨道的最小半径是0.53×10-10 m,其他的轨道半径只能是2.12×10-10 m、4.77×10-10 m等,轨道半径不可能是介于这些值之间的中间值,经典物理学的观点是怎样的
能级
1.能级:微观世界的能量取分立值的观念也适用于原子系统,原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。
2.原子处于能量最低的状态是最稳定的。
3.原子获得能量有可能跃迁到较高的能量状态,这些状态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁。
4.原子从高能级向低能级跃迁放出的光子的能量等于前后两个能级之差,原子从低能级跃迁到高能级吸收光子的能量也等于前后两个能级之差。
5.由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
能级
例3 一个氢原子从高能级跃迁到低能级,该氢原子 (　　)
A.放出光子,能量增加
B.放出光子,能量减少
C.吸收光子,能量增加
D.吸收光子,能量减少
解析:氢原子能级越高对应的能量越大,当氢原子从较高能级向较低能级跃迁时放出光子,能量减少,B正确,A、C、D错误。
答案:B
本课结束

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