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第三章 電磁場與電磁波初步
第5節(jié) 微觀世界的量子化
20世紀(jì)初，物理學(xué)發(fā)展到一個嶄新的階段，一般稱為近代物理，其物理基礎(chǔ)是相對論和量子力學(xué)。
狹義相對論的研究對象是物體運動速度接近光速的領(lǐng)域。
它顛覆了傳統(tǒng)的時空觀。
牛頓力學(xué)只是相對論在運動速度遠(yuǎn)低于光速情況下的一種近似。
量子力學(xué)的研究對象是微觀世界。
微觀粒子表現(xiàn)出與宏觀世界迥然不同的性質(zhì)。
本節(jié)粗略地介紹波粒二象性和能量量子化這兩個問題
光給了我們一個明亮美麗的世界，可是它自己卻像一團(tuán)謎。
一、波粒二象性
人們不斷爭論著光的問題：
光到底是什么？
牛頓主張微粒說：光是很小的高速運動的粒子流。
惠更斯認(rèn)為光是一種波。
一、波粒二象性
干涉和衍射現(xiàn)象是波動特有的現(xiàn)象。
光的干涉
光的衍射
19世紀(jì)初，光的干涉和衍射現(xiàn)象在實驗中被觀察到，于是波動說占據(jù)了統(tǒng)治地位，后來麥克斯韋更進(jìn)一步說明光是一種電磁波。
一、波粒二象性
19世紀(jì)末，光電效應(yīng)等現(xiàn)象證明了光具有粒子性
愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)，提出了光子說，他認(rèn)為在空間傳播的光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子。
一、波粒二象性
觀察鐵釘?shù)念伾兓?
思考產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因？
多學(xué)一點：最早提出量子論的科學(xué)家
固體或液體在任何溫度下都在輻射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。
鐵塊從發(fā)熱到發(fā)光的顏色變化
無論是高溫物體還是低溫物體，都有熱輻射，所輻射的能量及波長的分布都隨溫度的變化而變化。
常溫鐵黑灰
除了熱輻射之外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。常溫下我們看到的物體的顏色就是反射光所致。一些物體在光線照射下看起來比較黑，那是因為它吸收電磁波的能力較強(qiáng)，而反射電磁波的能力較弱。
黑體：表面能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體。
高溫鐵黃白

物理學(xué)家總是力圖用已有的知識來解釋新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律。那么，怎樣解釋黑體輻射的實驗規(guī)律呢?大家知道，物體中存在著不停運動的帶電微粒，按照當(dāng)時物理學(xué)的認(rèn)識。每個帶電微粒的振動都產(chǎn)生變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁輻射。于是，人們很自然地要依據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)的知識尋求黑體輻射的理論解釋。但是，用經(jīng)典的電磁理論解釋黑體輻射的規(guī)律時遇到了嚴(yán)重的困難。
一般物體的輻射與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，但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)。在研究熱輻射的規(guī)律時，人們特別注意對黑體輻射的研究。
為了對黑體輻射實驗規(guī)律做出解釋，德國物理學(xué)家普朗克不得不承認(rèn)：微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世界看來可能非常奇怪。
1.定義：普朗克認(rèn)為，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(shù)倍。例如，可能是ε或2ε、3ε…當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收的。這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
M.Planck 德國人 1858－1947
2.能量子大小：對于頻率為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
波動和粒子，在宏觀世界中是完全不同的
宏觀物體的波動性我們檢測不到。
波是連續(xù)的，粒子是分離的。
光既具有波動性，又具有粒子性，可以說光既是電磁波，也是光子流。
1.光是具有“波粒二象性”的電磁性物質(zhì)。
2.波粒二象性是微觀世界的共性。
實驗證明電子、質(zhì)子等實物粒子同樣具有波動性。
電子的衍射
往酒精燈的火焰上撒一些食鹽（氯化鈉），會看到火焰的顏色變成黃色，這是金屬鈉原子發(fā)出的光。
二、能量量子化
經(jīng)光譜檢驗，它是兩條分立的譜線，位于可見光的黃色部分。
鈉原子的光譜
用如圖的分光鏡觀察到的氫原子的光譜在可見光范圍內(nèi)是四條分立的明線。
氫原子的光譜
二、能量量子化
1.能級：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。
1
2
3
4
5
∞
?
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
E/eV
基態(tài)
激發(fā)態(tài)
①基態(tài)：通常情況下，原子處于能量最低的狀態(tài)
②激發(fā)態(tài)：能量較高的狀態(tài)。
量子數(shù)
能量值
二、能量量子化
2.能級躍遷：
當(dāng)氫原子的能量發(fā)生變化時，只能從某個能級“跳躍”到另一個能級
從低能級躍遷到高能級，必須吸收能量
1
2
3
4
5
∞
?
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
E/eV
吸收能量
釋放能量
從高能級躍遷到低能級，則要釋放能量
吸收或釋放能量等于兩能級差
2.能級躍遷：
1
2
3
4
5
∞
?
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
0
E/eV
氫原子的光譜
3→2
4→2
5→2
6→2
當(dāng)波粒二象性和能量量子化，是微觀世界的奇異性質(zhì)，它顛覆了人類幾千年來觀察身邊自然現(xiàn)象而形成的既有觀念。然而這樣的對物質(zhì)世界認(rèn)識的不斷進(jìn)步正是物理學(xué)的發(fā)展軌跡。
一、波粒二象性
二、能量量子化
干涉衍射→波動性
光電效應(yīng)→粒子性
?
1.（多選）關(guān)于對能量子的認(rèn)識，下列說法正確的是（　　）
A.振動著的帶電微粒的能量只能是某一能量值ε
B.帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍
C.能量子與電磁波的頻率成正比
D.這一假說與現(xiàn)實世界相矛盾，因而是錯誤的
解析　由普朗克能量子假說可知，帶電微粒輻射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，A錯誤，B正確；最小能量值ε＝hν，C正確；能量子假說反映的是微觀世界的特征，不同于宏觀世界，并不是與現(xiàn)實世界相矛盾，故D錯誤。
BC
2.關(guān)于光子說的基本內(nèi)容有以下幾點，不正確的是（ ）
A.在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子
B.光是具有質(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)微粒子
C.光子的能量跟它的頻率成正比
D.光子客觀并不存在，而是人為假設(shè)的
B

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