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(共24張PPT)
第十三章 電磁感應與電磁波初步
第5節(jié) 能量量子化
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19世紀末，物理學飛速發(fā)展，在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：力學方面—牛頓三定律、萬有引力定律建立起完整的力學體系。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中，他們認為物理學已經(jīng)發(fā)展到了頂峰。
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于是，1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上,著名物理學家開爾文勛爵作了展望新世紀的發(fā)言:
“科學的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。” —— 開爾文
但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云.”
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黑體輻射實驗
后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。
黑體輻射實驗
邁克爾遜實驗
而關(guān)于黑體輻射的問題正是我們今天要學習的內(nèi)容。
想一想
把鐵塊投進火爐中，剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光。隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光。鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。為什么會有這樣的變化呢？
一、熱輻射
我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波，不能引起人的視覺。當溫度升高時，熱輻射中波長較短的成分越來越強。
大量實驗結(jié)果表明，熱輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。
想一想
晴朗的夜空中繁星閃爍，有的恒星顏色偏紅，有的恒星顏色偏藍。對于“紅星”和“藍星”，那種恒星表面溫度更高呢？
想一想
要想精確測量溫度的高低，就必須掌握輻射強度按波長的分布與溫度之間的定量關(guān)系。
一個物體除了熱輻射外，物體表面還會反射外界射來的電磁波
如果某種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，會怎樣？
一、熱輻射
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。
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。
一、電磁場
黑體輻射：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)，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(guān)。
研究黑體輻射是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。
想一想
一座建設(shè)中樓房還沒有安裝窗子，盡管室內(nèi)已粉刷，如果從遠處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？
近似黑體
0 1 2 3 4
1700K
1500K
1300K
1100K
輻射強度
黑體輻射實驗：隨著溫度的升高
各種波長的輻射強度都有增加；
輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
一、熱輻射
一、熱輻射
二、能量子
1900年底，普朗克作出了這樣的大膽假設(shè)：
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……這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子，它的大小為
是電磁波的頻率，h 是一個常量，后人稱之為普朗克常量，其值為
微觀
宏觀
分立的，量子化
借助于能量子的假說，普朗克得出的黑體輻射的強度按波長的分布公式，與實驗符合的非常好。
二、能量子
能量子的觀點與宏觀世界中我們對能量的認識有很大不同，例如，一個宏觀的單擺，小球在擺動的過程中，受到摩擦阻力的作用，能量不斷減小，能量的變化是連續(xù)的。而普朗克的假設(shè)則認為微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是不連續(xù)（分立）的。
普朗克能量子假設(shè),使人類對微觀世界的本質(zhì)有了全新的認識,對現(xiàn)代物理學的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。成為物理學發(fā)展史上一個重大轉(zhuǎn)折點;
普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,體現(xiàn)了微觀世界的基本特征;
不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律的認識已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學的誕生奠定了基礎(chǔ)。
二、能量子
光本身就是一個個不可分割的能量子，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：
二、能量子
三、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。
分立軌道
1 2 3 4
E4
E3
E2
E1
定態(tài)
躍遷
E4
E3
E2
E1
三、能級
20世紀20年代，量子力學建立了，它能夠很好地描述微觀粒子運動的規(guī)律，并在現(xiàn)代科學技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。
三、能級
宇宙浩瀚無垠，神秘莫測。古人通過肉眼觀察星空，繪制星圖。望遠鏡的發(fā)明拓展了人類的視野，使人們對天體的了解更加清楚。
小結(jié)：
黑體：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。
一切物體都在輻射電磁波，輻射與物體的溫度有關(guān)。輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。
熱輻射
ε叫能量子，簡稱量子， 能量是量子化的，只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。
能量子
ε=hν
h=6.626×10-34J/s。——普朗克常量
光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的這些能量子后來被叫作光子。
原子能量的量子化
能級

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