17.1能量量子化

,无锡市第一中学,19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律：能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。,材料鉴赏:,1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:,也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！,但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：,这两朵乌云是指什么呢？,黑体辐射实验,光的速度,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。,普朗克量子力学的诞生,相对论问世,这两朵乌云到底是什么回事呢？,经典力学,量子力学,相对论,微观领域,高速领域,(1)波速等于波长和频率的乘积.,(2)经过一个周期，振动在介质中传播的距离等于一个波长,(3)波速等于波长和频率的乘积这一关系虽从机械波得到，但对其他形式的波（电磁波、光波）也成立,回顾、波长、周期(或频率）和波速的关系,波速由介质决定，与波的频率无关,波的频率只取决于波源，与波速、波长无关。波在传播过程中、从一种介质进入另一种介质时频率不变。,波长则决定于v和T。波从一种介质进入另一种介质波速发生变化，周期不变，波长发生变化；波在同一介质中传播，当周期发生变化，波长也发生变化。,1.波速由什么决定？,2.频率由什么决定？,3.波长由什么决定？,波长、周期(或频率）和波速的关系,一、麦克斯韦简介,三、电磁波谱,红外线,紫外线,伦琴射线,二、各种电磁波,光的干涉现象,光的衍射现象,光是一种波,19世纪中叶，光的波动说已经得到了公认，但是光波的本质到底是什么，是像水波？还是像声波呢？,19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并从理论上得出电磁波在真空中的传播速度应为：,光是一种电磁波,1、麦克斯韦根据电磁理论，发现电磁波的波速与光速相同，提出了光是一种电磁波的假说赫兹通过实验证实了光的电磁本质.光的电磁说把光学和电学统一起来了,关于光的电磁说的几点强调,2、光的颜色是由电磁波的频率决定的不同频率的色光在真空中波速相同，在介质中波速不同同一色光在不同介质中，频率（颜色）不变，波长和波速都要改变在同一介质中，频率越高，波速越小,关于光的电磁说的几点强调,3、电磁波与机械波的比较:共同点：都能产生干涉和衍射现象；它们波动的频率都取决于波源的频率；在不同介质中传播，频率都不变,关于光的电磁说的几点强调,3、电磁波与机械波的比较:不同点：机械波的传播一定需要介质，其波速与介质的性质有关，与波的频率无关而电磁波本身就是一种物质，它可以在真空中传播，也可以在介质中传播电磁波在真空中传播的速度均为3.0108ms，在介质中传播时，波速和波长不仅与介质性质有关，还与频率有关,关于光的电磁说的几点强调,（18311879），英国物理学家,经典电磁理论的奠基人.1831年6月13日出生于爱丁堡1847年入爱丁堡大学听课，专攻数学他很重视实验，涉猎电化学、光学、分子物理学以及机械工程等等他说：“把数学分析和实验研究联合使用得到的物理科学知识，比之一个单纯的实验人员或单纯的数学家所具有的知识更加坚实、有益而牢固”,麦克斯韦,1850年考入剑桥大学，1854年以优异成绩毕业并获得了学位，留校工作1856年起任苏格兰阿伯丁的马里沙耳学院的自然哲学讲座教授，直到1874年经法拉第举荐，自1860年起任伦敦皇家学院的物理学和天文学教授1871年起负责筹划卡文迪什实验室，随后被任命在剑桥大学创办卡文迪什实验室并担任第一任负责人1879年11月5日麦克斯韦因患癌症在剑桥逝世，终年仅48岁,麦克斯韦一生从事过多方面的物理学研究工作，最杰出的贡献是在经典电磁理论方面在剑桥读书期间，麦克斯韦在读法拉第的电学实验研究时，被书中的新颖见解所吸引，他敏锐地领会到了法拉第的“力线”和“场”的概念的重要性他注意到全书竟然无一数学公式，说明法拉第的学说还缺乏严密的理论形式在老师威廉汤姆孙的启发和帮助下，决心用自己的数学才能来弥补法拉第工作的这一缺陷,麦克斯韦,18551856,论法拉第力线,18611862,论物理力线,1865,电磁场的动力学理论,18651873,电磁理论,（18311879）,麦克斯韦的电磁场理论从超距作用过渡到以场为基本变量，是科学认识的一个革命性变革，根据研究，麦克斯韦大胆断言：光本身就是电磁波,18861888年间赫兹做了一系列实验证实了电磁波的存在，并且测出了实验中的电磁波频率和波长，从而计算出电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同，证明了光的电磁说的正确性这样麦克斯韦的电磁场理论就把电、磁、光学规律统一起来，完成了人类认识史上的一次“大综合”,红外线,在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起视觉的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光。其中波长最短的是紫光，波长约为400nm波长最长的是红光，波长约770nm.波长更长的光不能引起视觉，叫做红外线，红外线的波长范围很宽.约为770nm106nm,红外线,一切物体,都在辐射红外线.物体温度越高,辐射的红外线越强.物体温度越高,辐射的红外线波长越短.热辐射-即红外线辐射,热传递方式之一,利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，用电子仪器对收到的信号进行处理，就可以知道被测物体的信息,红外线主要作用是热作用，可以利用红外线来加热物体和进行红外线遥感,红外线技术的应用,注意:烤箱中的红光,不是红外线,红外线是看不见的.,红外线感应防盗报警器它是将红外线遥感探测技术和无线数码遥控技术结合的高科技新型产品，利用人体所产生的微弱红外线而触发。当有人试图进入它的探测范围时，它就会发出警报声，直到人离开才停止。,红外线反射型检测传感器它是一种一体化的红外线发射、接收器件，内部包含红外线发射、接收及信号放大与处理电路，能够以非接触的形式检测出前方一定范围内的人体或物体。工作稳定可靠，性能优良，可广泛应用于各种自动检测、报警和控制等装置中。如：光电计数器，接近式照明开关，自动干手器，自控水龙头，感应门铃，倒车告警电路,红外线水份计利用红外线照射加温功能,使被测试样本内的水份蒸发散失,自动换算其含水率,适用于各形式的产品水份测定,依其功能特性可分为上皿天平式、电子天平式、陶瓷热管式及最新研发产品-微量水份计,红外温度变送器它是一个非接触测量系统，根据红外辐射的测量原理，由一个滤镜和红外探测器(热电偶堆)组成。使用时对准目标物体，能测量物体的温度,紫外线,紫外线也是不可见光，他的波长比紫光还短，大约为5nm40nm紫外线有荧光作用，有些物质受到紫外线照射时可以发出可见光紫外线可以促使人体合成维生素D，有助于人体对钙的吸收，所以儿童经常晒太阳能够预防缺钙引起的佝偻病，但是过多的紫外线会使皮肤粗糙，甚至诱发皮肤癌紫外线能够杀灭多种细菌，可以用紫外线进行消毒,注意：红外线与紫外线人眼都是看不到的,画面上可以清晰的看到钱币上的防伪标记,紫外线,注意:消毒灯、验钞机灯看起来是淡蓝色的。这不是紫外线。紫外线看不见。消毒灯、验钞机灯除发出紫外线外，还发出少量紫光和蓝光,伦琴射线,波长比紫外线更短的光叫做伦琴射线，也叫X射线.是德国物理学家伦琴在1895年发现的他的穿透能力很强，能使包在黑纸里的照像底片感光，下图是产生X射线的装置，叫做X射线管：,1、K是阴极,2、A是阳极（也叫对阴极）,此外还有比伦琴射线波长更短的电磁波，那就是射线，我们将在以后学习,按频率由小到大（波长由大到小）排列形成的电磁波谱是：无线电波、红外线、可见光（红橙黄绿蓝靛紫）、紫外线、伦琴射线、射线这些频率不同的电磁波本质是相同的它们的行为服从共同的规律，但是他们产生的机理不同，因而具有不同的特性在观察方法和应用上也有所不同,关于电磁波谱的几点强调,1不同电磁波产生的机理无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的伦琴射线是原子内层电子受激发产的射线是原子核受激发产生的,关于电磁波谱的几点强调,2、频率(波长)不同的电磁波表现出作用不同红外线主要作用是热作用，可以利用红外线来加热物体和进行红外线遥感；紫外线主要作用是化学作用，可用来杀菌和消毒；伦琴射线有较强的穿透本领，利用其穿透本领与物质的密度有关，进行对人体的透视和检查部件的缺陷；射线的穿透本领更大，在工业和医学等领域有广泛的应用，如探伤，测厚或用刀进行手术,关于电磁波谱的几点强调,利用红外线检测人体的健康状态，本图片是人体的背部热图，透过图片可以根据不同颜色判断病变区域,返回,红外线检视器是利用红外线能穿透颜料的特性，揭示顏料层下隐藏的资料利用红外线发射器、接收器及屏幕显示器，油画上炭笔初稿稿及已往曾经进行过的修复工作都能一一呈现于眼前,返回,红外线卫星云图显示一九九九年九月十六日台风约克于清晨靠近香港时,中心的风眼清晰可见,返回,行星状星云NGC7027的红外线照片,返回,能量量子化,物理学的新纪元,第一节：,思考与讨论,1，在炉火旁边有什么感觉？2，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？,固体在温度升高时颜色的变化：,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，所以叫做热辐射。辐射规律：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。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。,问题：如何研究物体的热辐射规律？,注意：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，例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。那么：在研究物体热辐射中，应如何避免反射电磁波的影响？,一，黑体及黑体辐射理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑体”。它在任何温度下都能全部吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。,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。,说明：黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。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。于是，在研究热辐射的规律时人们特别注意对黑体辐射的研究。,0123456,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,二：黑体辐射的实验规律,随着温度的升高：1，各种波长的辐射强度都有增加；2，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。,你能由图找到黑体辐射的实验规律吗？,瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区(波长范围在紫外线附近)竟算得辐射强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”。,维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。,三、能量子超越牛顿的发现,微观世界的某些规律，在我们宏观世弄看来可能非常奇怪。,普朗克能量子理论,*微观粒子的能量只能是某一最小能量值的整数倍，E=n（n=1,2,），这个不可再分的最小能量值叫能量子，简称量子。n为正整数，称为量子数。,*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。,h=6.62610-34J*S-普朗克常数,*能量子的能量：=h（是辐射吸收的电磁波的频率）,理论与实验符合的让人击掌叫绝,1800K,能量量子化：,宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（能量量子化），例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化你能举出生活中“量子化”例子吗？普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认识。1900年不仅成为新世纪的开始，也成为物理学的一个新纪元。18年后，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。,问题与练习,在一杯开水中放入一枝温度计，开水静置室内，可以看到开水的温度是逐渐降低的，既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的，为什么它的温度不是一段一段地降低？,结论：,1.在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们可以认为：物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化。（因为每个能量子的能量很小，宏观物体的能量不连续变化非常不明显，可以忽略不计。）2.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化,意义：普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量量子化、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。,扩展阅读:变革的困难,1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受,物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。,遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达年时间，他总想退回到经典物理学的立场