17.1能量量子化

2.黑体及黑体辐射
向远处观察 打开的窗子
近似黑体
说明：
①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。 ②黑体看上去不一定是黑色的，只有当自身辐射的可 见光非常微弱时看上去才是黑的，有些可以看做黑体 的物体，由于有较强的辐射，看起来还是很明亮的， 如太阳等一些发光物体也被当做黑体来处理。
7.某广播电台发射功率为10 kW，在空气中波 长为187.5 m的电磁波，试求： (1)该电台每秒钟从天线发射多少个电磁波能 量子？ (2)若向四面八方发射的能量子视为均匀的， 求在离天线2 km处，直径为3m的环状天线每 秒接收的光子个数以及接收功率。
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵 令人不安的乌云，----”
这两朵乌云是指什么呢？
光的速度 黑体辐射实验
微观问题
1900年底 量子论
高速问题
1905年 相对论
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？ 铁块在温度升高时颜色的变化：
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:
“科学的大厦已经基本完成， 后辈的物理学家只要做一些零碎的修补 工作就行了。” --开尔文-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：
• 科学的发展总是在困难中前进，失败不可 怕，它是人类进步的阶梯。
课堂练习
1.下述说法正确的是( AB ) A．微观粒子的能量变化是跳跃式的 B．能量子与电磁波的频率成正比 C．红光的能量子比绿光大 D．电磁波波长越长，其能量子越大
2.对一束太阳光进行分析，下列说法正确的 是（AC ） A.太阳光是由各种单色光组成的复合光 B.在组成太阳光的各单色光中，其能量最强 的光为红光 C.在组成太阳光的各单色光中，其能量最强 的光是紫光 D.组成太阳光的各单色光，其能量都相同
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一、黑体与黑体辐射 1. 热辐射
任何物体都在辐射电磁波。物体辐射与温度有关; 这种辐射称为热辐射。 热辐射的主要成分： 波长较长的电磁波不能引 起人的视觉。 当温度升高时 较短波长的成分越来越强。
热辐射的特性： 辐射强度按波长的分布情况随
物体的温度而有所不同。
2.能量子的能量
ε=h （
是电磁波的频率）
h=6.62610-34 J·S ----普朗克常量
宏观
微观
连续
分立的，量 子化的
3. 普朗克公式与实验结果的比较
e0 ( , T )
实验值
普朗克理论
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0
1
2
3 4
5
6
7
λ (μ m)
4.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？
2.黑体及黑体辐射
理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑 黑体 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。
5.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。
材料鉴赏:
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。
• 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。
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？
• 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14年时间，他总想 退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子 说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可 能成为牛顿以后物理学上最大的发现。” • 普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严 格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和 热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事 实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能 量子理论是不彻底的，他的理论还是以承认电磁 波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说 仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和发射的特殊性 上。
三、能量子
微观世界的某 些规律，在我们 宏观世弄看来可 能非常奇怪。
1.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，
ε
E=nε （n=1,2,…），这个不可再分的
最小能量值ε叫能量子。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。
解释：
• 1.开水向外辐射的每一分能量子能量很小（微观 量），而水降低1℃释放的能量很大（宏观量）， 由于温度计的精度不够，所以观察到的温度计温 度不是一段一段地降低的。 • 2.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。） • 3.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化
激光日光灯发光不是热辐射
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？
一般物体的辐射 黑体辐射 只与温度有 关。
与温度、材料及 表面状况有关。
研究黑体辐射是了解一般 物体热辐射性质的基础。
二、黑体辐射的实验规律
辐射强度 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？
λ
0
1
2
3

4
5
6
(μm)
M 0 (, T )
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。
实验 瑞利理论值
维恩理论值
T=1646k

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”。
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。
• 1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释 了光电效应；1906，他又将量子理论运用到固体 比热问题，获得成功；1912年，玻尔将量子理论 引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原 子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取 得了原子物理学划时代的进展；1922年，康普顿 通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实 在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。
3.对黑体辐射电磁波的波长分布有影响 的是（ A ） A．温度 C．表面状况 B．材料 D．质量
5.能正确解释黑体辐射实验规律的是 （ B ） A．能量的连续经典理论 B．普朗克提出的能量量子化理论 C．以上两种理论体系任何一种都能解释 D．牛顿提出的能量微粒说
6.一束红光从空气射入折射率为1.5的玻 璃,则这束红光的能量子将（ C ） A、变小 B、变大 C、不变 D、不能确定