多态的量子、多态的世界
我们知道，量子是最基本的能量单位，可以说是能量的最小单位，所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子他们都是量子的一种表现形态。其实，我们的这个世界本身都是微观粒子组成的，准确地说，整个自然界本身都是由量子组成的，宏观世界也是量子的一种表现形态。
量子的多态表现为，量子的状态没有被观察时，它是多态的，一旦被观察，则只能存在一个能量的状态。我们回忆薛定谔猫理论：设想在一个封闭的匣子里，有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时，药瓶被打破，猫将被毒死。按照常识，猫可能死了，也可能还活着。量子力学告诉我们，存在一个中间态，猫既不死也不活，直到进行观察看看发生了什么。量子力学告诉我们：除非进行观测，否则一切都不是确定的，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。我们分析薛定谔猫论的假设，匣子、毒药、猫——构成了一个统一体，这一状态猫命悬一线本身就是多态的，从某种意义上讲匣子、毒药已经是猫生存的一部分，只是他们之间是否相互作用，不相互作用，等于毒药不存在，猫存活；相互作用，猫死。在匣子的存在下，我们不观察，真的不知道是否相互作用，只能是生、死共存状态。
托马斯·杨的双缝实验，量子力学认为，观察时光子走单缝，不观察时走双缝。只取决于你测量这个物体的方式。从量子学角度看，如
果你不观察它，那么现实并不存在或是模糊的、多态的，尽管听上去非常怪异，但结果证实了量子理论的正确性。例如光子，如果你用平面镜、水等手段研究光子的性质，那么光子具有粒子性——折射、反射；如果你用类似于双缝实验的手段测量光子的性质，光子即表现为波动性。
叠加的多态量子，有人为的，更多的是自然的，观察、测量时，测量的手段、方法解除了量子的多态，即确认量子的存在状态——唯一性。叠加即量子的分身，就是量子处在不稳定的、随时可变的多重状态，测量时即确定量子多态的哪一种状态。量子纠缠其实就是量子或多态量子之间的相互作用，纠缠就是量子之间的相互吸引，既然是相互吸引，不论纠缠的量子距离多远，相互纠缠的量子其中的一个量子的运动状态被改变，另一个量子的运动状态也必然随着改变。犹如天文观察到的相互绕转的双星，假设双星中的一个由于某种原因，例如爆炸损失一部分，双星的另一个运动状态必然改变。理论推测，组成量子的“元”，半径极短约在10-24米或更小，质量极小，但是密度极大，量子纠缠是通过量子“元”形成的密度引力相互作用的，使相干量子纠缠。
其实，不仅微观世界是多态的，宏观世界也是多态的。例如一张桌子，我们不同的感觉器官感觉它，会出现不同的存在“状态”，用眼睛看我们能得到桌子的形状，并不能知道桌子的其他性质，例如硬度、味道等。我们把盲人摸象的现象应用到量子的多态现象是非常形象
的，也是非常真是的，即“存在的世界”和我们的主观意识之间的界限非常模糊，从某种意义上讲，感知的手段决定主观意识，主观意识反应客观存在的世界，准确地说，主观意识反应客观世界某一种或某几种属性，反应客观世界的哪一种属性，决定于我们的观察手段——科学技术的方法。即实验的手段、方法决定了你能获得客观事物的哪一种属性，这一客观事物的其他属性被隐藏，不能显示出来。一种观察手段，即一种约束，只能获取多态的客观事物的一种状态，客观事物的其他属性——状态，被隐藏、被认为消失。手段越是先进，探测的结果越独立，即唯一性。越是先进的手段，兼容性越差，即结果越唯一。
通常情况下，我们不能穿过普通的墙，我们的意识很容易穿过普通的墙。如果墙是由电子“编制”而成的，我们也能穿过墙，这样本来表现为粒子性的我们也能表现为波动性，我们不妨再假设，这堵墙是用意识“编制”而成的，我们会毫无感觉地穿过去，我们的意识也会和用意识“编制”墙发生干涉、衍射现象。
17．1 能量量子化 高二物理组韦瑜教材分析、学情分析 本节由黑体和黑体辐射、黑体辐射的实验规律和能量子三部分内容组成。对黑体辐射的研究及由此引发的“紫外灾难”是19世纪初物理学天空中的“第三朵乌云”，然而正是在拨开“第二朵乌云”的过程中，物理学终于迎来了量子物理的曙光。本节的重点是对黑体辐射能量在不同温度下与波长关系的研究，难点是如何让学生理解能量量子化假说。对这部分内容，教材是按物理学史的发展展开的，目的是使学生能从前辈大师的工作中体会科学探究的真实过程。 教学目标 （一）知识与技能 1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射 2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系 3．了解能量子的概念 （二）过程与方法 了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。 （三）情感、态度与价值观 领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。 教学重点 能量子的概念 教学难点 黑体辐射的实验规律 教学方法 教师启发、引导，学生讨论、交流。 教学用具： 投影片，多媒体辅助教学设备 课时安排 1 课时
教学过程 （一）引入新课 教师：介绍能量量子化发现的背景：（多媒体投影，见课件。） 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell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。 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。” 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 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： “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？ 一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。 然而，事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。 点出课题：我们这节课就来体验物理学新纪元的到来――能量量子化的发现（二）进行新课 1．黑体与黑体辐射 教师：在了解什么是黑体与黑体辐射之前，请同学们先阅读教材，了解一下什么是热辐射。 学生：阅读教材关于热辐射的描述。 教师：通过课件展示，加深学生对热辐射的理解。并通过课件展示，使学生进一步了解热辐射的特点，为黑体概念的提出准备知识。 （1）热辐射现象
二次量子化 二次量子化又叫正则量子化，是对量子力学的一种新的数学表述。普通的量子力学方法只能处理粒子数守恒的系统。但在相对论量子力学中，粒子可以产生和湮灭，普通量子力学的数学表述方法不再适用。二次量子化通过引入产生算符和湮灭算符处理粒子的产生和湮灭，是建立相对论量子力学和量子场论的必要数学手段。相比普通量子力学表述方式，二次量子化方法能够自然而简洁的处理全同粒子的对称性和反对称性，所以即使在粒子数守恒的非相对论多体问题中，也被广泛应用。 然而，现在的二次量子化理论反映物质埸的特征是不够全面的。其一：只用作为埸的自由度的广义坐标，是一维的无穷多个指标的广义坐标，也就是说尽管是多个指标，它在空间的自由度却仅有一维。无穷多个指标的广义坐标，只分别对应无穷多个光量子，描写它们一维的状态。为了描写物质埸的矢量性，物质埸 的自由度的广义坐标也应该是多维的广义坐标，必须把推广成，对应物质埸在处的振动的动量，对应物质波的几率密度，即传统的二次量子化理论中的态函数。 在各类物理文献（包括科普）中，我们都能经常看到一个术语，即二次量子化，一般指场量子化或从量子力学到量子场论的这个“提升”过程。然而，所谓的二次量子化其实是一个错误的概念，至少是一个应该被摒弃的不恰当的概念，其产生及仍被使用有着一定的历史根源。但这并不仅仅是历史错误被认识后人们懒得改变的习惯用法，否
则也没有特别说明的必要了，而是依然存在于物理文献中的误解，它还在误导着更多的人。 量子场论的产生是这样一个过程。物理学家们首先建立了基于平直时空点粒子的量子力学，以薛定谔方程来描述，然后为了统一量子力学和狭义相对论，或者说为了找到符合狭义相对性原理的量子力学，他们认为有必要“推广”薛定谔方程，从而找到了克莱恩－戈登方程和狄拉克方程等等并认为他们就是“推广”的薛定谔方程，进一步研究发现这些方程的变量并不是描述点粒子的动力学量，而是所谓的场，一类在时空每一点都有取值的函数，对这类场进行量子化最终促成了量子场论—同时满足狭义相对论和量子力学的新理论的诞生。可是把诸如克莱恩－戈登之类的方程看成薛定谔方程的推广是错误的，正是当年人们这一错误认识导致了二次量子化的提出和使用，并且把量子力学称为经典力学的一次量子化。下面我们简单分析一下。 先从经典点粒子力学说起。经典点粒子力学的研究对象是点粒子，点粒子在空间（即位形空间）中的位置由空间坐标表示，其动力学，即其位置随时间的演化由一个或一组动力学方程所描述，方程的变量是坐标及其时间导数。人们又发现点粒子的动力学也可以等价地通过其位置和动量来描述，一个粒子的位置和动量所构成的空间成为该粒子的相空间，粒子在位形空间中的可能轨迹等价于其相空间中的一条曲线。二十世纪初，一些我们现在已经熟知的原因引发了量子力学革命，物理学家们发现微观世界很大程度上不能为经典相空间所描
第五节量子化现象 学习目标：1.[物理观念]知道光子说及其对光电效应的解释。 2.[物理观念]知道光的波粒二象性。 3.[物理观念]知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。 一、光是一种电磁波 光与电磁波的物理本质是一致的，光是一种电磁波，它通过电场和磁场的相互激发可以在真空中传播。物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉等性质。 二、能量子假说 1．能量子 能量的发射和吸收不是连续的，只能是一份一份的进行。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 2．能量子公式 ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34J·s.(一般取h＝6.63×10－34J·s) 三、光子假说 1．光电效应定义 光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出的现象。 2．光电子 光电效应中逸出来的电子。 3．光电效应的实验规律 用不同频率的光去照射阴极时，发现光的频率越高，光电子动能越大，频率低于某一数值时，不论光的强度多大，都不能产生光电子。 4．爱因斯坦的光子说 (1)内容 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子称为光子。 (2)光子能量 公式为ε＝hν，其中ν指光的频率。 (3)解释：光照射到金属表面上时，能量为hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量中
的一部分用来脱离金属表面，另一部分是电子离开金属表面时的动能。如果光子的能量大于电子脱离金属表面所需的能量，则电子脱离金属表面产生光电子，且光的强度越大，光电子越多，否则无论光的强度多大，都无法产生光电子。 四、光的波粒二象性 1．光即具有波动性又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。 2．概率波：概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成暗纹。 五、原子结构的玻尔理论 1．玻尔原子理论的基本假设：电子轨道半径量子化，电子只能在某些特定的轨道上运动，电子在不同轨道上具有不同的能量，这些量子化的能量值称为能级，只有当电子在不同轨道之间跃迁时，才辐射光子。 2．局限性：成功的解释了氢原子的稳定性和氢原子光谱的分立特征，但是这一理论没有彻底摆脱经典物理学理论的束缚。 1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。 (√) (2)电子能吸收任意频率的光子发生跃迁。(×) (3)玻尔理论能成功地解释氢光谱。(√) (4)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(×) (5)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多。(√) 2．在光电效应实验中，用单色光照射某种金属表面，有光电子逸出，则光电子的最大初动能取决于入射光的 ( ) A．频率B．强度C．照射时间D．光子数目 A [光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与其它无关。而光照强度，照射时间及光子数目与逸出的光电子数量的关，故A正确，BCD错误。] 3．(多选)关于电磁场和电磁波，正确说法是( ) A．电磁波传播速度总是3×108 m/s B．电磁波是一种物质，可以在真空中传播 C．电场和磁场总是相互联系，它们统称为电磁场 D．光是一种电磁波 BD [电磁波只有在真空中传播速度才是3×108 m/s，故A错误；电磁场本身就是一种物质，可以不依赖物质传播。故B正确；变化的电场和变化的磁场是相互联系的，它们统称
量子化现象同步练习 1.最早提出能量量子化概念的是________国的科学家________.最早提出光子概念的科学家是________，并运用它成功解释了________. 答案：德普朗克爱因斯坦光电效应 2.什么叫光电效应？什么是光子假说？________________________________________. 答案：金属被光照射后，从其表面上发射出电子的现象叫光电效应. 爱因斯坦为了解释光电效应的实验规律，在普朗克能量子的基础上提出了光子假说：宏观意义上的光都是由一个个光子组成的，每个光子的能量为E=hν，其中ν是光的频率，h是普朗克常量. 3.对黑体辐射的研究启发普朗克提出了________的假设.光电效应表明：具有电磁波特性的光，还具有________的特性. 答案：能量子粒子 4.计算波长为0.122 μm的紫外线光的光子的能量为________. 答案：1.63×10－18 J 5.下列说法正确的有 A.能量量子化就是指微观粒子的能量值只能是正整数的倍数 B.量子化就是指不连续性，指物理量变化时不能连续变化，只能取分立的值 C.光的波粒二象性是指光既不是普通的波，也不是实物粒子，而是一种特殊物质，它的特殊性表现在既具有波的性质，同时又具有粒子的特点 D.原子发光的光谱是一系列不连续亮线组成的线状谱 答案：BCD 6.对于光子的认识，正确的是 A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中提出的“微粒” B.光子就是光电效应中的光电子 C.光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子 D.光子的能量与其频率成正比 答案：CD 7.列出几个能说明微观世界量子化的经典实验. 答案：黑体辐射、光电效应、光的双逢干涉实验、光的衍射实验等. 8.请尝试用光子说解释光电效应中为何存在极限频率. 答案：略
摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg 碳—12的原子数目相等。使用摩尔时应予以指明基本单元，它可以是原子、分子、离子、电子及其他粒子，或是这些粒子的特定组合。 0.012kg 碳—12中所含的原子数目叫做阿伏加德罗常数，符号为A N 。阿伏加德罗常数的近似值为236.0210?/mol ，具体数值是236.022136710?/mol ，这个常数可用很多种不同的方法进行测定。这些方法的理论根据各不相同，但结果却几乎一样差异都在实验方法误差范围之内，这说明阿伏加德罗常数是客观存在的重要数据。 物质量量子化方法 1、洛希密脱的理论计算 1865年，洛希密脱根据气体分子运动论并结合固体密度的实验数据，得出关于A N 的最早可靠估计值231010/A N mol ≈?他的理论计算如下： 洛希密脱根据气体分子运动论的平均自由程公式 从麦克斯韦速率分布函数求得的平均速率 及由气体输运过程得到的粘滞系数 得到 假定固体分子互相紧接着，每个分子占据一个边长为d 的正方体，则1mol 固体占据体积为3 A N d 于是，固体的密度为
洛希密脱的理论计算结果表明阿伏伽德罗常数是一个大得惊人的天文数字。 2、爱因斯坦的贡献 爱因斯坦在1905年和1906年发表的一系列论文中仔细分析了布朗运动，他的分析主要是关于在时间t内微粒的总位移是在很大范围内变化的，而其分量的均方值2x对于悬浮在粘滞系数为n的液体中半径为a的球形微粒来说，则有【1】 （1） 上式称为布朗运动的爱因斯坦公式。推导如下： 设微粒是半径为a的球体，根据斯托克斯定理，它在流体中运动所受粘滞力 （2）根据经典力学定律微粒的运动方程为 （3） F F F表示液体分子由于热运动而产生的对微粒的碰撞力。 其中,, x y z 假设t=0时微粒位于坐标原点, 则x,y,z代表微粒在t时刻的位移, 以x,y,z乘（2）式的3个式子并考虑到 则（1）式可以写为
§5.3量子化现象 【学习目标】 知识与技能： 1、初步了解微观世界中的量子化现象，知道量子论的主要内容． 2、知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，了解光的波粒二象性． 3、知道量子论的建立不仅是物理学的革命，也对人类认识世界和科技发展具有重要影响． 过程与方法： 1、通过了解经典物理学能量连续性观点在解释“黑体辐射”现象时的失败，体会普朗克提出量子假说的伟大意义． 2、通过了解“光电效应”实验与经典物理学理论的矛盾，体会爱因斯坦的光子说对光的本性的揭露． 情感、态度与价值观： 1、通过了解量子论的建立和发展过程，体会科学家们探求真理的无限艰辛和他们非凡的创造性思维的光芒，使学生不仅从中获取科学知识，更受到科学思维的熏陶．善于逆向思维，培养思维的灵活性、发散性和创造性． 2、关注量子物理对我们生活所造成的影响，体会量子物理对20世纪科学技术领域和人类文明进步所造成的影响． 【学习重点】 1、黑体辐射：能量子的假说的提出。 2、光子说：对光电效应的解释。 【知识要点】 1.能量量子化和能量子：微观领域中，能量只能取分立的、不连续的值.即能量不能连续变化，只能按能量子的整数倍变化. 所谓能量子就是能量的最小单元.微观领域里能量的变化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其能量子的值不同，表达式为： E=hν(5－3) 其中ν是电磁波的频率，h是一个普遍适用的常量，称作普朗克常量.由实验测得h=6.63×10－34 J·s.h的准确值不必记忆，但要知道，它的值很小，数量级只有10－34. 2.光子：光也是一种电磁波，光的最小能量单元就是光子，实际就是一种能量子.其值同(5－3)式. 3.黑体和黑体辐射：如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，这种物体就叫做黑体.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)，黑体辐射规律的详细内容不是现阶段的学习内容，不必深究，只要了解到黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释即可. 4、用爱因斯坦光电效应方程求解光电效应中金属的逸出功、极限频率或光电子的最大初动能的思路方法是①，②，③，三式的综合运用。 【典型例题】 【例1】在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连.用弧光灯照射锌板时,验电器的指针就张开一个角度,如图5－1所示.这时 图5－1
几种重要的量子生物现象 1．1光合作用中激发能量和电荷分离过程 什么是光合作用? 光合作用是一种生物过程，生物通过一系列生化反应，将光能转化为生物生命活动所需要的有机物中的能量，从而将太阳能捕获并存储起来。这个不寻常的过程为地球上几乎所有生命提供了基础，在长达地质时期的时间里深刻地改变了地球本身。它为我们提供了所有的食物和大部分的能量。 要深刻领会光合作用的重要性，最好的方式也许是设想一下假如没有光合作用会有什么后果。6500万年前，导致恐龙以及其他很多物种灭绝的那场灾难事件的主要原因并不是来自于彗星或小行星撞击本身，而是撞击导致大量灰尘进入到大气层中。这些灰尘阻挡了太阳光线进入大气层，从而阻断了地球上的光合作用进程，并且持续了几个月或几年的时间。与地质时间尺度相比，光合作用中断的这段时间相对来说是很短的，即使是这么短时间的光合作用中断也对生物圈造成了灾难性的影响。 从字面意思上看，光合作用意思是“利用光来合成”。正是如此，它可以被翻译为在光的作用下包括有关的新物质产生的任何过程。但是这样宽泛的定义可能将很多我们不希望考虑进来的过程也包括了，所以我们将采用一个相对窄的定义： 光合作用是光能被生物组织捕获并存储起来的过程，存储起来的能量被用于驱动细胞活动。 这个定义相对来说仍然宽泛，既包括我们熟悉的基于叶绿素方式的光合作用，也包括一些非常不同形式的光合作用，如一些细菌利用菌视紫红质来进行光合作用，以及一些尚未被发现的机制，一些生物组织直接利用光来驱动细胞活动。光驱动的信号过程是不包括在这一定义里面的，如视觉或光敏色素行为，在这些过程中，光传递的是信息而不是能量，还有所用不是发生在有生命的生物体中的过程也是不包括在这一定义里的。 进行光合作用的生物体是由什么构成的?这些生物体所需要的所有能量必须全部是来源于光，才可以称为光合作用生物体吗?这里我们采用一个相对一般的定义，只要细胞活动所需要的能量有一部分是来源于光的生物体就可可以称为光合作用生物体。高等植物，我们最熟悉的光合作用生物体，细胞能量基本上全部来源于光。但是有许多生物体，光只是它们能量来源的一部分，在一定条件下，可以不通过光来获得能量。在另外一些条件下，光是它们重要的或者是唯一的能量来源。我们采用这个宽泛的定义是因为我们的兴趣主要是理解能量存储过程本身。只在部分时间利用光合作用的生物体，仍然有很多重要的事情值得我们学习，我们可以了解这些过程如何进行，虽然纯粹主义者并不把它们归类为真正的光合作用生物体，仍然值得我们的关注。 光合作用最常见的形式包括叶绿体类型的叶绿素，利用光驱动的电子转移过程来进行。植物、藻类、蓝藻细菌和几种更原始的厌氧细菌都是以这种相同的基本方式来进行光合作用的，都可以被称为“基于叶绿素的光合作用”。基于菌视紫红质形式的光合作用虽然也符合我们的一般定义，但其机制与基于叶绿素的光合作用差别很大。它是利用直接耦合到跨膜的离子传输的顺反异构化来进行的。在光的作用下，被抽运的离子既可以是氢离子，也可以是氯离子，这依赖于菌视紫红质的类别。抽运氢离子的复合物称为菌视紫红质，抽运氯离子的复合物称为盐细菌视紫红质。到目前为止，这些系统中的光驱动的电子传输过程尚未被发现。 多年来，人们所了解的菌视紫红质类型的光合作用只存在于极端嗜盐的原始细菌中，这些细菌只在有限的几种高盐环境中被发现。所以，这种光合作用对于地球上的所有光合作用来说似乎不是那么重要。然而，一种新形式的菌视紫红质，变形菌视紫质，在海洋变形菌中被发现(包括紫色光合细菌的生物体相同的种群)。视紫质抽运氢离子，具有氨基酸序列和蛋白质二次结构，与菌视紫红质大体类似。含有视紫质的变形菌广泛分布于全球的海洋当中，所以基于视紫质形式的光合作用可能相当重要。 由于人类在探索太空，发现其他世界的生命，所以我们应当能够识别与我们地球上非常不同的生命形式。生命总是需要能量来源，所以我们有理由期待在几乎所有拥有生命存在的星球上忽发现一些其他形式的光合作用。在这样星球上的光合作用可能不需要具备叶绿素，或者是进行电子转移。它可能像菌视紫红
第三节量子化现象 (一)教学目标 1．知识与技能 (1)初步了解微观世界中的量子化现象，知道量子论的主要内容。 (2)知道宏观物体和微观粒子的能量变化特点，了解光的波粒二象性。 (3)知道量子论的建立不仅是物理学的革命，也对人类认识世界和科技发展具有重要影响。 2．过程与方法 (1)通过了解经典物理学能量连续性观点在解释“黑体辐射”现象时的失败，体会普朗克提出量子假说的伟大意义。 (2)通过了解“光电效应”实验与经典物理学理论的矛盾，体会爱因斯坦的光子说对光的本性的揭露。 (3)通过了解光的波粒二象性和氢原子光谱，使学生知道微观世界能量量子化的特征，从而使学生认识到：量子论的观点是作为现代人认识客观世界的重要方法。 (4)通过列举量子论的发展所带来的科学技术的重大变革和对其他自然科学领域的影响，体会量子论对人类认识世界的深远影响。 3．情感、态度与价值观 (1)通过了解量子论的建立和发展过程，使学生体会科学家们探求真理的无限艰辛和他们非凡的创造性思维的光芒，使学生不仅从中获取科学知识，更受到科学思维的熏陶．引导学生善于逆向思维，培养思维的灵活性、发散性和创造性。 (2)关注量子物理对我们生活所造成的影响，体会量子物理对20世纪科学技术领域和人类文明进步所造成的影响。 (3)引导学生沿着前辈科学家的足迹，去体验他们是如何由实验事实出发，尊重经验事实对理论的检验，从而一步步登入微观世界的大门，感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神，培养学生敢于质疑的科学品质。 (4)通过了解并体会科学假说在物理学理论研究、发展中的作用，学习科学假说的思想方法，培养创新思维。 (二)本节概述 1．本节特点 (1)侧重于定性介绍。
第三节 量子化现象 第四节 物理学——人类文明进步的阶梯 量 子 化、 光 电 效 应 [先填空] 1．黑体辐射与能量子假说 (1)黑体辐射及遇到的困难 ①黑体：能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射的物体． ②黑体辐射：黑体发出的电磁辐射． ③经典物理学的困难：应用经典物理学的连续观念，进行黑体辐射研究，理论分析与实验结果不相符合． (2)普朗克的能量子假说 ①能量子假说：物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份地进行的．每一份就是一个最小的能量单位，称为“能量子”． 能量子与频率成正比，即ε＝h ν，ν为辐射的频率，h 为普朗克常量．实验测得h ＝ 6.63×10－34 J·s. ②能量的量子化：在微观领域中能量不连续变化，即只能取分立值的现象． ③普朗克的能量子假说不仅解决了黑体辐射的理论困难，而且揭开了物理学上崭新的一页．
2．对光电效应现象的解释 (1)爱因斯坦的光子说：光在传播过程中，也是不连续的，它由数值分立的能量子组成，称为光量子，也叫“光子”，光子能量ε＝hν. (2)光电效应现象：当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出的现象，从金属表面逸出的电子称为光电子．光电效应的产生取决于光的频率而与光的强度无关． (3)经典物理学的困难：经典理论中“光的波动说”认为光是一种波，它的能量是连续的，与光的强度有关，而与光的频率无关，无法解释光电效应现象． (4)光子说对光电效应的解释： 光子照到金属上时，能量被金属中的某电子吸收，若光子能量足够大，电子就能摆脱金属离子的束缚，成为光电子．而光子能量取决于频率而非光强，所以光电效应产生与否取决于光的频率． [再判断] 1．所谓量子或量子化，本质是不连续性．(√) 2．光强达到一定程度，就一定发生光电效应现象．(×) 3．光子和电子是同样的粒子．(×) [后思考] 平时生活中，为什么很难碰到量子化的现象？ 【提示】量子化在微观世界里表现明显，在宏观世界里表现不明显． [合作探讨] 探讨1：十九世纪末科学家们研究黑体辐射规律时遇到了什么困难？ 【提示】理论分析与实验结果不相符． 探讨2：什么是能量的量子化？ 【提示】在微观领域中能量不连续变化，即只能取分立值的现象． [核心点击] 1．量子化假设：普朗克提出物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍，E＝nε，n＝1,2,3…n叫作量子数．量子的能量ε＝hν.式中h为普朗克常数(h＝6.63×10－34J·s)，是微观现象量子特征的表征，ν为频率． 2．量子化：量子化的“灵魂”是不连续．在宏观领域中，这种量子化(或不连续性)相对于宏观量或宏观尺度极微小，完全可以忽略不计，但在微观世界里，量子化(或不连续)是明显的，微观物质系统的存在、物体之间传递的相互作用量、物体的状态及变化等都是量子化的． 3．光子说解释光电效应
不可思议的量子纠缠现象 1982年，法国物理学家阿斯沛和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子之间存在着一种叫作量子纠缠的关系。在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，都一直保持着纠缠的关系，对一个粒子扰动，另一个粒子（不管相距多远）立即有反应。 『量子纠缠』现象是说，一个粒子衰变成两个粒子，朝相反的两个方向飞去，同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生『左旋』，则另一个必定发生『右旋』。两者保持总体守恒。也就是说，两个处於『纠缠态』的粒子，无论相隔多远，同时测量时都会『感知』对方的状态。那么，这两个粒子如何实现瞬间的沟通，这种感知是否是超光速的，这是否违背了相对论呢？
在现实世界中，人与人之间，就算是双胞胎，也无法建立某种感应，不经联系就能感觉对方发生的变化。但瞬间感应可以发生在量子世界中。量子纠缠超越了我们生活的四维时空，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），也就是说宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。量子纠缠证实了爱因斯坦不喜欢的「超距作用」是存在的。由于相对论无法解释这个现象，爱因斯坦将『量子纠缠』称为『遥远的鬼怪行为』。 量子非局域性表明物体具有整体性。简单地说，量子非局域性是指，属於一个系统中的两个物体（在物理模型中称为「粒子」），如果你把它们分开了，有一个粒子甲在这里，另一个粒子乙在非常非常遥远（比如说相距几千、几万光年）的地方。如果你对任何一个粒子扰动（假设粒子甲），那么瞬间粒子乙就有相应的反应。这种反应是瞬时的，超越了我们的四维时空，不需要等到信号传递到那边。这边一动，那边不管有多遥远，立即就感知了，即一个地方发生的事情立即影响到很远的地方。这说明看起来互不相干的、相距遥远的粒子甲和乙在冥冥之中存在着联系。
5.3量子化现象-5.4物理学——人类文明进步 的阶梯学案（含答案） 第三节量子化现象第四节物理学人类文明进步的阶梯知识目标核心素养 1.初步了解微观世界中的量子化现象知道量子论的主要内容2了解光电效应.原子能量的不连续性及光的波粒二象性.1.知道量子论的建立对人类认识世界和科学发展的重要影响2了解物理学对人类文明进步的影响. 一.量子化现象1黑体辐射如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，这一物体就称为黑体黑体辐射是指黑体发出的电磁辐射2光电效应当用一些波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出，这种现象称为光电效应从金属表面逸出的电子称为光电子光电效应的产生取决于光的频率而与光的强度无关3光的波粒二象性大量的实验事实表明，光既具有波动性又具有粒子性，也就是光具有波粒二象性4原子光谱原子只能处于一系列不连续的能量状态中，当原子从一种能量状态变化到另一种能量状态时，辐射或吸收一定频率的光子，辐射或吸收光子的能量是不连续的 二.物理学与现代技术物理学的发展推动了科学技术的高速发展，几乎所有重大的新技术领域，如原子能技术.激光技术.电子
和信息技术等的创立，都是在物理学中经过了长期的酝酿，在理 论上和实验上取得突破，继而转化为技术成果的1判断下列说法 的正误1量子理论中能量也是连续变化的2一个量子就是组成物 质的最小微粒，如原子.分子3辐射的能量是一份一份的，因此物体的动能也是一份一份的4光具有波粒二象性说明有的光是波， 有的光是粒子2波长是0.1220m的紫外线的光子能量为________J.答案 1.631018解析波长是0.1220m的紫外线的光子能量Ehh 6.631034J 1.631018J. 一.对量子理论的初步认识1量子化假设普朗克提出物质发射或吸收的能量E只能是某一最小能量单位的整数倍，En，n1,2,3n 叫做量子数能量子的能量h.式中h为普朗克常量h 6.631034Js是微观现象量子特征的表征，为频率，c为真空 中的光速，为光波的波长2量子化量子化的“灵魂”是不连续在 宏观领域中，这种量子化或不连续性相对于宏观量或宏观尺度极 微小，完全可以忽略不计，但在微观世界里，量子化或不连续是 明显的，微观物质系统的存在，物质之间传递的相互作用.物体的状态及变化等都是量子化的例1根据量子理论，光子的能量 E0hh，其中c为真空中的光速.为光的频率.为光的波长，普朗克 常量取h