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第三章 电磁场与电磁波初步
第5节 微观世界的量子化
20世纪初，物理学发展到一个崭新的阶段，一般称为近代物理，其物理基础是相对论和量子力学。
狭义相对论的研究对象是物体运动速度接近光速的领域。
它颠覆了传统的时空观。
牛顿力学只是相对论在运动速度远低于光速情况下的一种近似。
量子力学的研究对象是微观世界。
微观粒子表现出与宏观世界迥然不同的性质。
本节粗略地介绍波粒二象性和能量量子化这两个问题
光给了我们一个明亮美丽的世界，可是它自己却像一团谜。
一、波粒二象性
人们不断争论着光的问题：
光到底是什么？
牛顿主张微粒说：光是很小的高速运动的粒子流。
惠更斯认为光是一种波。
一、波粒二象性
干涉和衍射现象是波动特有的现象。
光的干涉
光的衍射
19世纪初，光的干涉和衍射现象在实验中被观察到，于是波动说占据了统治地位，后来麦克斯韦更进一步说明光是一种电磁波。
一、波粒二象性
19世纪末，光电效应等现象证明了光具有粒子性
爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说，他认为在空间传播的光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子。
一、波粒二象性
观察铁钉的颜色变化，
思考产生这种现象的原因？
多学一点：最早提出量子论的科学家
固体或液体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。
铁块从发热到发光的颜色变化
无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及波长的分布都随温度的变化而变化。
常温铁黑灰
除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致。一些物体在光线照射下看起来比较黑，那是因为它吸收电磁波的能力较强，而反射电磁波的能力较弱。
黑体：表面能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
高温铁黄白

物理学家总是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律。那么，怎样解释黑体辐射的实验规律呢?大家知道，物体中存在着不停运动的带电微粒，按照当时物理学的认识。每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。但是，用经典的电磁理论解释黑体辐射的规律时遇到了严重的困难。
一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究。
为了对黑体辐射实验规律做出解释，德国物理学家普朗克不得不承认：微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪。
1.定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值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的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
M.Planck 德国人 1858－1947
2.能量子大小：对于频率为ν的能量子，
它的大小：ε=hν h=6.626?10-34J/s——普朗克常量
一、波粒二象性
波动和粒子，在宏观世界中是完全不同的
宏观物体的波动性我们检测不到。
波是连续的，粒子是分离的。
光既具有波动性，又具有粒子性，可以说光既是电磁波，也是光子流。
1.光是具有“波粒二象性”的电磁性物质。
2.波粒二象性是微观世界的共性。
实验证明电子、质子等实物粒子同样具有波动性。
电子的衍射
往酒精灯的火焰上撒一些食盐（氯化钠），会看到火焰的颜色变成黄色，这是金属钠原子发出的光。
二、能量量子化
经光谱检验，它是两条分立的谱线，位于可见光的黄色部分。
钠原子的光谱
用如图的分光镜观察到的氢原子的光谱在可见光范围内是四条分立的明线。
氢原子的光谱
二、能量量子化
1.能级：微观世界中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。
1
2
3
4
5
∞
?
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
E/eV
基态
激发态
①基态：通常情况下，原子处于能量最低的状态
②激发态：能量较高的状态。
量子数
能量值
二、能量量子化
2.能级跃迁：
当氢原子的能量发生变化时，只能从某个能级“跳跃”到另一个能级
从低能级跃迁到高能级，必须吸收能量
1
2
3
4
5
∞
?
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
E/eV
吸收能量
释放能量
从高能级跃迁到低能级，则要释放能量
吸收或释放能量等于两能级差
2.能级跃迁：
1
2
3
4
5
∞
?
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
E/eV
氢原子的光谱
3→2
4→2
5→2
6→2
当波粒二象性和能量量子化，是微观世界的奇异性质，它颠覆了人类几千年来观察身边自然现象而形成的既有观念。然而这样的对物质世界认识的不断进步正是物理学的发展轨迹。
一、波粒二象性
二、能量量子化
干涉衍射→波动性
光电效应→粒子性
?
1.（多选）关于对能量子的认识，下列说法正确的是（　　）
A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C.能量子与电磁波的频率成正比
D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的
解析　由普朗克能量子假说可知，带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A错误，B正确；最小能量值ε＝hν，C正确；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不是与现实世界相矛盾，故D错误。
BC
2.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是（ ）
A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子
B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子
C.光子的能量跟它的频率成正比
D.光子客观并不存在，而是人为假设的
B

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