第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性第第1 1节能量量子化节能量量子化普朗克的量子说普朗克的量子说量子论的观点最初是在研究热辐射的规律时产生的量子论的观点最初是在研究热辐射的规律时产生的我我们们周周围围的的物物体体都都在在不不断断地地辐辐射射电电磁磁波波，这这是是由由分分子子和和原原子子的的热热运运动动引引起起的的，所所以以叫叫作作热热辐辐射射物物体体在在室室温温时时热热辐辐射射电电磁磁波波的的波波长长比比较较长长，不不能能引引起起我我们们的的觉觉察察，但但是是如如果果温温度度在在500 以以上上，它它就就能能辐辐射射可可见见光光了了，铁铁块块烧烧热热会会变红，就是这个道理变红，就是这个道理除除了了热热辐辐射射之之外外，物物体体表表面面还还会会反反射射外外界界射射来来的的电电磁磁波，有的物体的反射能力比较小，在光线照射下看起来比波，有的物体的反射能力比较小，在光线照射下看起来比别别的的物物体体黑黑一一些些假假设设有有这这样样一一类类物物体体，它它们们完完全全不不能能反射电磁波，我们就称之为绝对黑体，简称黑体反射电磁波，我们就称之为绝对黑体，简称黑体 绝绝对对黑黑体体热热辐辐射射的的规规律律比比较较简简单单，在在19世世纪纪末末许许多多人人做做了了大大量量研研究究，黑黑体体辐辐射射的的波波长长并并不不是是单单一一的的，它它同同时时辐辐射射各各种种波波长长的的电电磁磁波波，不不同同波波长长的的辐辐射射波波，它它们们的的强强度度也也不不一一样样，课课本本中中的的图图画画出出了了四四种种温温度度下下绝绝对对黑黑体体热热辐辐射射的的强强度度与与波波长长的的关关系系，可可以以看看出出，随随着着温温度度的的升升高高，一一方方面面，各各种种波波长长的的辐辐射射强强度度都都有有增增加加；另另一一方方面面，辐辐射射强强度度的的极极大大值值向向波波长长较较短短的的方方向向移移动动，或或者者可可以粗略以粗略地说：地说：“温度越高，辐射电磁波的波长越短温度越高，辐射电磁波的波长越短”，烧红的铁，烧红的铁块如果继续升温，就会达到块如果继续升温，就会达到“白白”热，这是因为温度升高热，这是因为温度升高后，在它辐射的光中，波长较短，如蓝光、紫光所占的比后，在它辐射的光中，波长较短，如蓝光、紫光所占的比例就会增加，更接近日光中各种色光的比例，因此看起来例就会增加，更接近日光中各种色光的比例，因此看起来几乎是白色的几乎是白色的 怎样解释这些实验现象呢？物体是由不停运动的带电微怎样解释这些实验现象呢？物体是由不停运动的带电微粒组成的，按照经典的电磁理论，带电微粒的振动相当于粒组成的，按照经典的电磁理论，带电微粒的振动相当于交变电流，所以这些分子、原子就是一个个小天线，它们交变电流，所以这些分子、原子就是一个个小天线，它们具有各种能量，可以向外辐射或接收电磁波但是基于这具有各种能量，可以向外辐射或接收电磁波但是基于这种认识的一系列研究结果都和实验规律不一致种认识的一系列研究结果都和实验规律不一致 1900年年，德德国国物物理理学学家家普普朗朗克克做做出出了了一一个个大大胆胆的的假假设设，解解决决了了热热辐辐射射问问题题，同同时时也也改改变变了了人人们们对对微微观观世世界的认识界的认识 普普朗朗克克认认为为，粒粒子子的的能能量量只只能能是是某某一一最最小小能能量量值值E的的整整数数倍倍例例如如，可可能能是是E或或2E、3E当当带带电电微微粒粒辐辐射射或或吸吸收收能能量量时时，也也是是以以这这个个最最小小能能量量值值为为单单位位一一份份一一份份地地辐辐射射或或吸吸收收的的这这个个不不可可再再分分的的最最小小能能量量值值E叫叫作作能能量量子子在在微微观观世世界界中中，能能量量不不能能连连续续变变化化，只只能能取取分分立值的现象，叫作能量的量子化立值的现象，叫作能量的量子化 根根据据普普朗朗克克的的能能量量子子假假设设推推算算出出的的黑黑体体辐辐射射规规律律和和观观测测事事实实符符合合得得很很好好，但但是是能能量量量量子子化化的的观观点点违违背背日日常常生生活活经经验验，当当时时没没有有被被人人接接受受，即即使使普普朗朗克克本本人人也也踌踌躇躇不不决决后后来来，爱爱因因斯斯坦坦勇勇敢敢地地接接受受了了量量子子化化的的观观点点，成成功功地地解解释释了了光光电电效效应应，才才使使量量子子论论走走上上了了进进一一步步发发展展的道路的道路1黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射(1)热热辐辐射射：我我们们周周围围的的一一切切物物体体都都在在辐辐射射_，这这种种辐辐射射与与物物体体的的_有有关关，所所以以叫叫作作热热辐辐射射物物体的温度升高，热辐射中体的温度升高，热辐射中_的成分越来越强的成分越来越强(2)黑黑体体：如如果果某某种种物物体体能能够够_入入射射的的各各种种波波长长的的电电磁磁波波而而_，这这种种物物体体就就是是绝绝对对黑体，简称黑体黑体，简称黑体电磁波电磁波温度温度较短波长较短波长完全吸收完全吸收不发生反射不发生反射 (3)黑黑体体辐辐射射：一一般般物物体体辐辐射射电电磁磁波波的的情情况况除除与与_有有关关外外，还还与与_及及_有有关关，而而黑黑体体辐辐射射电电磁磁波波的的强强度度按按_的的分分布布只只与与黑黑体的体的_有关有关2黑黑体体辐辐射射的的实实验验规规律律(黑黑体体辐辐射射的的强强度度与与波波长长的的关系关系)黑黑体体辐辐射射实实验验中中，随随着着温温度度的的升升高高，一一方方面面，各各种种波波长长的的辐辐射射强强度度_；另另一一方方面面，辐辐射射强强度度的的极大值向极大值向_的方向移动的方向移动温度温度材料的种类材料的种类表面状况表面状况波长波长温度温度都有增加都有增加波长较短波长较短 3能量子：超越牛顿的发现能量子：超越牛顿的发现(1)能能量量量量子子化化：宏宏观观物物体体的的能能量量是是_；而而普普朗朗克克认认为为微微观观粒粒子子的的能能量量是是_的的，或或说说微微观观粒粒子子的的能能量量是是_的的，即即带带电电微微粒粒的的能能量量只只能能是是某某一一最最小能量值小能量值的的_倍倍(2)能能量量子子：不不可可再再分分的的最最小小能能量量值值叫叫作作能能量量子子，且且_.式式中中的的是是_，h叫叫作作普普朗朗克克常量，其值为常量，其值为h_.连续的连续的量子化量子化分立分立整数整数h电磁波的频率电磁波的频率6.6261034 Js1 黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射1热辐射热辐射(1)定定义义：我我们们周周围围的的一一切切物物体体都都在在辐辐射射电电磁磁波波，这这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射(2)特特点点：热热辐辐射射强强度度按按波波长长的的分分布布情情况况随随物物体体的的温温度而有所不同度而有所不同 2黑体黑体(1)定定义义：在在热热辐辐射射的的同同时时，物物体体表表面面还还会会吸吸收收和和反反射射外外界界射射来来的的电电磁磁波波如如果果一一些些物物体体能能够够完完全全吸吸收收投投射射到到其其表表面面的的各各种种波波长长的的电电磁磁波波而而不不发发生生反反射射，这这种种物物体体就就是是绝绝对对黑体，简称黑体黑体，简称黑体(2)黑黑体体辐辐射射特特点点：黑黑体体辐辐射射电电磁磁波波的的强强度度按按波波长长的的分分布布与黑体的温度有关与黑体的温度有关注注：一一般般物物体体的的热热辐辐射射除除与与温温度度有有关关外外，还还与与材材料料的的种种类类及表面状况有关及表面状况有关1能量子能量子(1)能量子的定义能量子的定义振振动动着着的的带带电电微微粒粒的的能能量量只只能能是是某某一一最最小小能能量量值值的的整整数数倍倍例例如如，可可能能是是或或2、3当当带带电电微微粒粒辐辐射射或或吸吸收收能能量量时时，也也就就是是以以这这个个最最小小能能量量为为单单位位一一份份一一份份地地辐辐射射或或吸吸收收时这个不可再分的最小能量值时这个不可再分的最小能量值叫作能量子叫作能量子(2)能量子公式能量子公式2 能量量子化能量量子化超越牛顿的发现超越牛顿的发现h 是是电电磁磁波波的的频频率率，h是是一一个个常常量量，后后被被称称为为普普朗朗克常量克常量(Planck constant)，其值为，其值为h6.6261034 Js (3)能量的量子化能量的量子化 在在微微观观世世界界中中能能量量不不能能连连续续变变化化，只只能能取取分分立立值值，这种现象叫作能量的量子化这种现象叫作能量的量子化 3普朗克的量子化假设的意义普朗克的量子化假设的意义 普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响普朗克常量的影响普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本特征体现了微观世界的基本特征例例氦氦氖氖激激光光器器发发出出波波长长为为633 nm的的激激光光，当当激激光光器的输出功率为器的输出功率为1 mW时，每秒发出的光子数为时，每秒发出的光子数为()A2.21015 个个B3.21015 个个C2.21014 个个 D3.21014 个个变变 式式迁迁 移移变变 式式迁迁 移移