1.量子概念的誕生 (2)

1、 19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會(huì)上，英國(guó)著名物理學(xué)家威廉.湯姆生(即開爾文男爵)發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時(shí)，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，卻若有所思地講道:動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了，歷史的困惑：近代物理學(xué)中的兩朵烏云 第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上，第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。威廉.湯姆生在1900年4月曾發(fā)表過題為19世紀(jì)熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的烏云的文章。 他所說的第一朵烏云，主要是指邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以太漂移說

2、相矛盾; 邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)，是依據(jù)經(jīng)典物理的理論，試圖通過采用光的干涉方法證實(shí)“以太”存在的一項(xiàng)著名的物理實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)由于沒有達(dá)到預(yù)期的目的，從而動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)，成為近代物理學(xué)的一個(gè)發(fā)端，在物理學(xué)發(fā)展史上占有十分重要的地位。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作，是由一位名叫邁克爾遜的美國(guó)年輕科學(xué)家于1881年在德國(guó)開始搞起來的。 美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜(后來成為美國(guó)第一個(gè)物理諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)和莫雷共同所做的企圖證明“以太”存在的實(shí)驗(yàn)。以前人們認(rèn)為光是由無質(zhì)量、絕對(duì)靜止的“以太”這種媒質(zhì)傳播的。 由于地球在運(yùn)動(dòng)，所以在地面上做實(shí)驗(yàn)，向不同方向發(fā)出的光線的傳播速度應(yīng)不同。邁克耳遜和莫雷在1887年用精確度很高的干涉

3、儀多次測(cè)定，得到的光速大小均相同，從而確立了“光速不變?cè)怼保徊檫M(jìn)一步實(shí)驗(yàn)否定以太的存在奠定了基礎(chǔ)。( 邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)在經(jīng)典物理大廈的地下室找到了現(xiàn)代物理的入口) 這一否定結(jié)果引起物理學(xué)界的震驚，讓人不得不認(rèn)識(shí)到“以太風(fēng)”根本不存在。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此確定了光速不變?cè)?，從而?dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)，成為近代物理學(xué)的一個(gè)發(fā)端，在物理學(xué)發(fā)展史上占有十分重要的地位。 邁克爾遜和莫雷測(cè)定“以太漂移速度”的實(shí)驗(yàn)雖然“失敗”了，但卻創(chuàng)造了一種精密度可達(dá)四億分之一的測(cè)長(zhǎng)儀器。邁克爾遜因在“精密光學(xué)儀器和用這些儀器進(jìn)行光譜學(xué)的基本量度”研究工作中的卓著成績(jī)，榮獲19

4、07年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 他所說的第二朵烏云，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的紫外災(zāi)難最為突出。 開爾文是19世紀(jì)英國(guó)杰出的理論物理和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，是一位頗有影響的物理學(xué)權(quán)威，他的說法道出了物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期的基本狀況，反映了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的主要思潮。第一節(jié) 量子概念的誕生課標(biāo)解讀課標(biāo)解讀1 熱輻射（1）定義：一切在物體都輻射電磁波，而且溫度不同時(shí)，物體發(fā)出的電磁波的波長(zhǎng)（頻率）、強(qiáng)度也不同這種輻射與物體的溫度高低有關(guān)，所以叫熱輻射物體發(fā)生熱輻射不只與溫度有關(guān)，還與材料種類、表面狀況有關(guān).2 、黑體（1）定義：如果

5、某種物體完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體（2）說明：黑體是為研究熱輻射而假想的一個(gè)理想化模型；物體看作黑體的條件是它能吸收所有其它物體的發(fā)出的電磁波且不反射；或者當(dāng)物體的輻射很強(qiáng)時(shí)，可以認(rèn)為其它物體難以將其電磁波反射回來，也可當(dāng)成黑體如一些發(fā)光體1、黑體并不一定是個(gè)黑色的物體，黑體是個(gè)理想化的模型，就象質(zhì)點(diǎn)模型一樣2、當(dāng)黑體由于自身有很強(qiáng)的輻射時(shí)，看起來很明亮比如，太陽為氣體星球，可以認(rèn)為射向太陽的電磁輻射很難被反射回來，所以認(rèn)為太陽是個(gè)黑體（絕對(duì)黑體是不存在的） （3）黑體模型：在空腔壁上開一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā) 生很多次的反

6、射用空腔上的小孔近似地代替黑體（4）黑體、黑洞和太陽黑子黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種超高密度天體，由于類似熱力學(xué)上它是完全不反射光線的黑體，故名為黑洞3、 黑體輻射：（1）定義：絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱黑體）的熱輻射，只與黑體溫度高低有關(guān)1黑體的特點(diǎn)是吸收所有的入射電磁波不反射，但它可以輻射電磁波；而且它的輻射只與溫度高低有關(guān) 2黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線的峰值隨溫度 “升高且左移” （即向短波移）隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。較短波長(zhǎng)的成分增加 同一溫度輻射各個(gè)波長(zhǎng)的電磁波（2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律：黑體輻射的強(qiáng)度隨溫度的升高，各波長(zhǎng)（頻率）的輻射都增加；背景一 19世紀(jì)，由于冶金以

7、及照明設(shè)備制造等的需要，人們急需找到黑體輻射強(qiáng)度和輻射頻率的關(guān)系。1889年盧默與魯本斯通過研究空腔輻射得出了黑體輻射光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是，單使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方法十分不便，于是，人們開始了尋找一般的公式。形成二 1900年，瑞利根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)推出了一個(gè)公式，1905年，金斯修正了瑞利輻射公式中的一個(gè)數(shù)值錯(cuò)誤，以后，此公式被稱為瑞利-金斯公式(如圖)。 其中，w(,T) 為輻射的能量密度，k是波爾茲曼常數(shù)，c為真空中的光速,T是熱力學(xué)溫度。 可以看出，w在趨向于無窮大時(shí)趨向于無窮大，這于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相違背。 1911年，奧地利物理學(xué)家埃倫費(fèi)斯特用紫外災(zāi)難來形容經(jīng)典理論的困境黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理

8、學(xué)晴朗天空中 一朵令人不安的烏云。經(jīng)典理念共同特點(diǎn)：物理量的連續(xù)性經(jīng)典理論在微觀領(lǐng)域的失敗4 、普朗克的量子化假設(shè)（1）能量子：振動(dòng)的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，這個(gè)最小的能量值叫能量子(當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量 值為單位一份一份地輻射或吸收）（2）能量子的公式： h =Hc/ 是電磁波的頻率（微觀適用），h 是一個(gè)常量，后人稱之為普朗克常量，其值為h=6.62610-34J.s.電磁波的能量可用En 表示，n為能量子的個(gè)數(shù).（3）能量的量子化：在微觀世界中能量是不能連續(xù)變化的，只能取分離的值，這種現(xiàn)象叫能量的量子化（微觀粒子的能量是分立的）1自然界量子化

9、的現(xiàn)象并不偶然比如帶電體的電量就是量子化的，它的最小單位為e，叫元電荷2光是電磁波，光的能量子叫光子，由能量子公式可知，頻率大的色光（紫）光子能量大3同一頻率的電磁波的能量大，是因?yàn)槟芰孔拥臄?shù)量大的結(jié)果5、量子化假設(shè)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)（1）許多科學(xué)家（代表有德國(guó)維恩和英國(guó)瑞利、金斯）用宏觀能量的觀點(diǎn)推導(dǎo)的公式無法完整解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律頻率由低到高依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫能力突破例1.（江蘇物理）下列敘述中正確的是（ ）A.一切物體都在輻射電磁波B.一般物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體溫度有關(guān)D.黑體能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波【解析】一般物體

10、的熱輻射與溫度、材料、表面狀況有關(guān)，黑體是為了忽略熱輻射的次要因素而假想的一個(gè)模型，它的熱輻射只與溫度有關(guān)所以，ACD正確ACD例2. 下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的是 （）【解析】黑體輻射曲線隨溫度升高“峰升左移” 選A A B C D【點(diǎn)評(píng)】黑體輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系曲線反映了黑體輻射與溫度變化的關(guān)系A(chǔ)例3. 光是一種電磁波，能引起人的眼睛視覺效應(yīng)的最小能量為10-18J，已知可見光的平均波長(zhǎng)為60m，普朗克常量h=6.6310-34Js則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為（）A.1個(gè)B.3個(gè)C.30個(gè)D.300個(gè)【點(diǎn)評(píng)】能量子的假想為我們探索微觀世界開辟了新的道路D例4.（北京物理）“約瑟夫森結(jié)”由超導(dǎo)體和絕緣體制成。若在結(jié)兩端加恒定電壓U，則它會(huì)輻射頻率為的電磁波，且 與U成正比，即 kU已知比例系數(shù)K 僅與元電荷e的2倍和普朗克常量h有關(guān)你可能不了解此現(xiàn)象的機(jī)理，但仍可運(yùn)用物理學(xué)中常用的方法，在下列選項(xiàng)中，推理