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第四章　原子結構和波粒二象性
1　普朗克黑體輻射理論
[學習目標]　
1.了解黑體和黑體輻射的概念，了解黑體輻射的實驗規律(重點)。
2.了解能量子的概念，了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(難點)。
一、黑體與黑體輻射
一座建設中的樓房還沒有安裝窗子，盡管室內已經粉刷，如果從遠處觀察，把窗內的亮度與樓房外墻的亮度相比，你會發現什么？為什么？
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1．黑體：某種物體能夠__________入射的各種波長的電磁波而不發生________，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。
2．黑體輻射
(1)定義：黑體雖然不______電磁波，卻可以向外________電磁波，這樣的輻射叫作黑體輻射。
(2)黑體輻射特點：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的________有關。
1．實際中存在絕對黑體嗎？黑體看上去一定是黑色的嗎？
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2．一般物體和黑體輻射電磁波有什么區別？
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例1　關于黑體、熱輻射和黑體輻射，下列說法中正確的是(　　)
A．一般物體的熱輻射強度只與物體的溫度有關
B．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的
C．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個帶小孔的空腔就近似為一個黑體
D．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關
二、黑體輻射的實驗規律
如圖所示為黑體輻射電磁波的強度按波長分布的情況，從圖中可以看出
1．隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有________。
2．隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長________的方向移動。
3．溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。
例2　(2022·南通市高二期中)在實驗室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內的溫度。如圖所示，就是黑體的輻射強度與其輻射光波長的關系圖像，則下列說法正確的是(　　)
A．T1＜T2
B．在同一溫度下，波長越短的電磁波輻射強度越大
C．隨著溫度的升高，黑體的輻射強度都有所降低
D．隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短方向移動
三、能量子
1．定義：組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的________，這個不可再分的____________叫作能量子。
2．表達式：ε＝________。其中ν是帶電微粒的振動頻率，即帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率。h稱為____________，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。
3．能量的量子化：微觀粒子的能量是________的，或者說微觀粒子的能量是________的。
在一杯開水中放入一支溫度計，開水靜置在室內，可以看到開水的溫度是逐漸降低的。既然從微觀的角度來看開水的能量是一份一份向外輻射的，為什么它的溫度不是一段一段地降低呢？
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例3　普朗克在研究黑體輻射時提出了一個大膽的假說，即能量子假說，下列關于能量子假說內容不正確的是(　　)
A．物體發射(或吸收)能量時，能量不是連續的，而是一份一份進行的
B．能量子假說中將每一份最小能量值，稱為能量子
C．能量子假說中的能量子的能量ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量
D．能量子假說認為能量是連續的，是不可分割的
例4　(2022·徐州市高二期中)中國健康發展研究中心發布的《國民視覺健康報告》白皮書顯示，我國學生的近視率在逐年增加。沉迷電子產品已成為影響青少年視力的“殺手”。現代醫學采用激光“焊接”視網膜技術來治療近視，所用激光的波長λ＝660 nm。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中傳播速度c＝3×108 m/s，則該激光中每個光子的能量為(　　)
A．3.0×10－19 J B．1.6×10－19 J
C．1.0×10－10 J D．3.0×10－18 J
例5　(2022·江蘇省常州三中高二月考)一盞電燈的發光功率為100 W，假設它發出的光向四周均勻輻射，光的平均波長為λ＝6.0×10－7 m，普朗克常量為6.63×10－34 J·s，光速為3×
108 m/s，在距電燈10 m遠處，以電燈為球心的球面上，1 m2的面積每秒通過的光子(能量子)數約為(　　)
A．2.4×1017個 B．2.4×1016個
C．2.4×1015個 D．2.4×1010個
1　普朗克黑體輻射理論
[學習目標]　1.了解黑體和黑體輻射的概念，了解黑體輻射的實驗規律(重點)。2.了解能量子的概念，了解宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(難點)。
一、黑體與黑體輻射
一座建設中的樓房還沒有安裝窗子，盡管室內已經粉刷，如果從遠處觀察，把窗內的亮度與樓房外墻的亮度相比，你會發現什么？為什么？
答案　會發現窗內亮度比樓房外墻暗。原因是射入窗口的光線在室內墻面會發生多次反射和吸收，大部分光線被吸收掉，最后從窗口射出的光線變少。
1．黑體：某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。
2．黑體輻射
(1)定義：黑體雖然不反射電磁波，卻可以向外輻射電磁波，這樣的輻射叫作黑體輻射。
(2)黑體輻射特點：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。
1．實際中存在絕對黑體嗎？黑體看上去一定是黑色的嗎？
答案　絕對黑體是一種理想化模型，實際中并不存在，黑體看上去不一定是黑的，有些可看成黑體的物體由于自身有較強的輻射，看起來還會很明亮，如煉鋼爐口上的小孔。
2．一般物體和黑體輻射電磁波有什么區別？
答案　一般物體輻射電磁波的情況除了與溫度有關，還與材料的種類及表面狀況有關，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。
例1　關于黑體、熱輻射和黑體輻射，下列說法中正確的是(　　)
A．一般物體的熱輻射強度只與物體的溫度有關
B．黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，看上去是黑的
C．如果在一個空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內表面經多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個帶小孔的空腔就近似為一個黑體
D．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關
答案　C
解析　一般物體的熱輻射強度除了與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關，故A錯誤；黑體只吸收電磁波，不反射電磁波，但黑體不一定是黑的，故B錯誤；電磁波最終不能從空腔射出，因此這個帶小孔的空腔就近似為一個黑體，故C正確；黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關，故D錯誤。
二、黑體輻射的實驗規律
如圖所示為黑體輻射電磁波的強度按波長分布的情況，從圖中可以看出
1．隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加。
2．隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
3．溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。
例2　(2022·南通市高二期中)在實驗室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內的溫度。如圖所示，就是黑體的輻射強度與其輻射光波長的關系圖像，則下列說法正確的是(　　)
A．T1＜T2
B．在同一溫度下，波長越短的電磁波輻射強度越大
C．隨著溫度的升高，黑體的輻射強度都有所降低
D．隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短方向移動
答案　D
解析　不同溫度的物體向外輻射的電磁波的波長范圍是不同的，溫度越高，向外輻射的能量中波長短的波越多，所以T1>T2，故A錯誤；由圖像可知，同一溫度下，輻射強度最大的電磁波波長不是最大的，也不是最小的，而是處在最大與最小波長之間，故B錯誤；由圖像可知，黑體的輻射強度隨著溫度的升高而增大，故C錯誤；由圖像可知，隨著溫度的升高，相同波長的光輻射強度都會增大，同時最大輻射強度向左側移動，即向波長較短的方向移動，故D正確。
三、能量子
1．定義：組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數倍，這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2．表達式：ε＝hν。其中ν是帶電微粒的振動頻率，即帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率。h稱為普朗克常量，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。
3．能量的量子化：微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的。
在一杯開水中放入一支溫度計，開水靜置在室內，可以看到開水的溫度是逐漸降低的。既然從微觀的角度來看開水的能量是一份一份向外輻射的，為什么它的溫度不是一段一段地降低呢？
答案　能量子的值非常小，在宏觀世界里，一般觀測不到能量量子的效應，可認為能量是連續的，所以開水的溫度是逐漸降低的；但在研究微觀粒子時必須考慮能量量子化。
例3　普朗克在研究黑體輻射時提出了一個大膽的假說，即能量子假說，下列關于能量子假說內容不正確的是(　　)
A．物體發射(或吸收)能量時，能量不是連續的，而是一份一份進行的
B．能量子假說中將每一份最小能量值，稱為能量子
C．能量子假說中的能量子的能量ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量
D．能量子假說認為能量是連續的，是不可分割的
答案　D
解析　能量子假說認為，物體發射(或吸收)能量時，能量不是連續的，而是一份一份進行的，每一份最小能量值，稱為能量子，能量子的能量ε＝hν，ν為帶電微粒的振動頻率，h為普朗克常量，A、B、C正確，D錯誤。
例4　(2022·徐州市高二期中)中國健康發展研究中心發布的《國民視覺健康報告》白皮書顯示，我國學生的近視率在逐年增加。沉迷電子產品已成為影響青少年視力的“殺手”。現代醫學采用激光“焊接”視網膜技術來治療近視，所用激光的波長λ＝660 nm。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中傳播速度c＝3×108 m/s，則該激光中每個光子的能量為(　　)
A．3.0×10－19 J B．1.6×10－19 J
C．1.0×10－10 J D．3.0×10－18 J
答案　A
解析　由ε＝hν＝h，代入數據得ε＝6.63×10－34× J≈3.0×10－19 J，故選A。
例5　(2022·江蘇省常州三中高二月考)一盞電燈的發光功率為100 W，假設它發出的光向四周均勻輻射，光的平均波長為λ＝6.0×10－7 m，普朗克常量為6.63×10－34 J·s，光速為3×
108 m/s，在距電燈10 m遠處，以電燈為球心的球面上，1 m2的面積每秒通過的光子(能量子)數約為(　　)
A．2.4×1017個 B．2.4×1016個
C．2.4×1015個 D．2.4×1010個
答案　A
解析　光是電磁波，輻射能量也是一份一份進行的，100 W的燈泡每秒產生光能E＝100 J，設燈泡每秒發出的光子數為n，則E＝nhν＝nh，在以電燈為球心的球面上，1 m2的面積每秒通過的光子數n′＝＝≈2.4×1017個，故選A。

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