第五節(jié)微觀世界的量子化第三章電磁場與電磁波初步學習目標1.了解光的波粒二象性，知道波粒二象性是微觀世界的共性。2.了解能量子和能級的概念。3.知道原子躍遷時吸收或輻射光子的能量。新課導入20世紀初，確切地說是從19世紀的最后幾年開始物理學發(fā)展到一個嶄新的階段，一般稱為近代物理，其理論基礎是相對論和量子力學。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，認為時間和長度、質(zhì)量等都與運動速度有關(guān)。質(zhì)能方程E=mc建立了質(zhì)量與能量的聯(lián)系，認為質(zhì)量和能量都是物質(zhì)存在的形式。而牛頓力學只是相對論在運動速度遠低于光速情況下的一種近似。量子力學的研究對象是微觀世界。在這個全新的研究領(lǐng)域，微觀粒子表現(xiàn)出與宏觀世界迴然不同的性質(zhì)。新課講解一、波粒二象性關(guān)于光的本性的討論很早就開始了，在17世紀，牛頓主張微粒說，即光是很小的高速運動的粒子流，而惠更斯則認為那是一種波，當時他們都沒有確切的證據(jù)證明自己的觀點。光到底是什么？新課講解19世紀初，光的干涉和衍射現(xiàn)象在實驗中被觀察到，而干涉和衍射現(xiàn)象是波動特有的現(xiàn)象，于是波動說占據(jù)了統(tǒng)治地位，后來麥克斯韋更進一步說明光是一種電磁波。光的干涉光的衍射新課講解但到了19世紀末，包括光電效應等現(xiàn)象證明了光具有粒子性。愛因斯坦為了解釋光電效應，提出了光子說，他認為在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的,每一份叫作一個光量子，簡稱光子。新課講解波動和粒子，在宏觀世界中是完全不同的波粒二象性并不只是光才有的特性，而是微觀世界的共性。實驗已經(jīng)證明電子、質(zhì)子等實物粒子同樣具有波動性。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。電子的衍射新課講解二、能量量子化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。新課講解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，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。高溫鐵黃白新課講解物理學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，按照當時物理學的認識。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)熱學和電磁學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。新課講解1.能量子定義：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叫做能量子。1900年底，普朗克作出了大膽假設：普朗克M.Planck

德國人1858－1947為了對黑體輻射實驗規(guī)律做出解釋，德國物理學家普朗克不得不承認：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。新課講解2.能量子大小：對于頻率為ν的能量子，它的大?。害?hν

h=6.626

10-34J/s——普朗克常量3.能量的量子化

在微觀世界中能量是量子化的,或者說微觀粒子的能量不是連續(xù)的,只能取分立值,為能量子?的整數(shù)倍.即E=n?(n叫做量子數(shù))。微觀宏觀連續(xù)分立的，量子化的新課講解經(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。新課講解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。氫原子的光譜新課講解4.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

4E4E3E2E1定態(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)。新課講解5.能級躍遷：當氫原子的能量發(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躍遷12345

n-13.6-3.4-1.51-0.850E/eV吸收能量釋放能量能級差越大，v越高。新課講解12345

n-13.6-3.4-1.51-0.850E/eV氫原子的光譜3→24→25→26→2新課講解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。核能的利用，計算機和智能手機的制造，激光技術(shù)等的應用都離不開量子力學。是量子力學引領(lǐng)我們邁入了現(xiàn)代社會，讓我們享受到豐富多彩的現(xiàn)代生活。課堂練習1.波粒二象性是微觀世界的基本特征，下列說法正確的是（

）A.牛頓光的微粒說反映的就是波粒二象性中的粒子性B.光電效應現(xiàn)象揭示了光的粒子性C.黑體輻射現(xiàn)象可以用光的波動性解釋D.光的波動性是大量光子之間的相互作用引起的課堂練習課堂練習2.關(guān)于光的波粒二象性，下列說法正確的是(

)A.康普頓效應揭示了光具有波動性B.個別光子只有粒子性，大量光子的作用效果才表現(xiàn)為波動性C.動能相等的電子和質(zhì)子，電子的動量小，波長也短D.光電效應揭示了光具有粒子性，光的波長越短，其粒子性越顯著課堂練習課堂練習3.關(guān)于光電效應與波粒二象性，下列說法正確的是(

)A.對于同一種金屬發(fā)生光電效應時，光電子的最大初動能不僅與入射光的頻率有關(guān)，還與入射光的強度有關(guān)B.用同種頻率的光照射某種金屬表面發(fā)生光電效應時，光的強度越大，飽和光電流越小C.戴維森和G·P·湯姆孫分別用單晶和多晶晶體