17.1物理学的新纪元：能量量子化
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科学的历史不仅是一连串事实，
规则和随之而来的数学描述，它
也是一部概念的历史。当我们进
入一个新的领域时，常常需要新
的概念。
——普朗克名言物理学的发展历史
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。
爱因斯坦伽利略著名物理学家
爱迪生
牛顿楞次麦克斯韦主要从事
电磁理论、分子物理学、
统计物理学、光学、力
学、弹性理论方面的研
究。尤其是他建立的电
磁场理论，将电学、磁
学、光学统一起来，是
19世纪物理学发展的最
光辉的成果，是科学史
上最伟大的综合之一。
麦克斯韦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。”开尔文
说明：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”。
1、在火炉旁边有什么感觉？
2、投在火炉中的铁块刚开始是什么
颜色？过一会儿又是什么颜色。问题
第一节物理学的新纪
元：能量量子化第十七章波粒二象性教学目标1、知识与技能了解什么是热辐射及热辐射的特性，
了解黑体与黑体辐射
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
了解能量子的概念
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。2、过程与方法
3、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。教学重难点重点能量子的概念
难点黑体辐射的实验规律本节知识线索
冶金工业的发展及对恒星研究的需要促进了对黑体辐射问题的研究经典理论对黑体辐射实验规律的研究难以解决的矛盾（维斯公式、瑞利公式）普朗克能量子假设
数学推理（黑体辐射的强度按波长分布的公式）
与实验事实的对照本节导航
一.黑体与黑体辐射
二.黑体辐射的实验规律
三.能量子、超越牛顿的发现
一、黑体与黑体辐射
1、热辐射
固体或液体，在任何温度下都在发射
各种波长的电磁波，这种由于物体中的分
子、原子受到激发而发射电磁波的现象称
为热辐射。
（1）、所辐射电磁波的特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化
800k1200k1200k1400k
例如：铁块在随温度升高时从看不出发
光到暗红到橙色到黄白色。
这种与温度有关的辐射称为热辐射。
（2）、热辐射---热能转化为电磁能的过
程。
任何物体任何温度均存在热辐射, 温度
升高，发射的能量升高。
直觉:
低温物体发出的是红外光
炽热物体发出的是可见光
高温物体发出的是紫外光
注意：激光日光灯发光不是热辐射。
（3）、无论是高温物体还是低温物体，都
有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布
都随温度而变化。
（4）、热辐射解释：大量带电粒子
的无规则热运动引起的。物体中每个分
子、原子或离子都在各自平衡位置附近
以各种不同频率作无规则的微振动，每
个带电微粒的振动都会产生变化的电磁
场，从而向外辐射各种波长的电磁波，
形成连续的电磁波谱。思考与讨论
一座建设中的楼房还没安装窗子，尽
管室内已经粉刷，如果从远处看，把窗内
的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现
什么？为什么？
2、黑体：
能全部吸收各种波长的辐射能而不发
生反射，折射和透射的物体称为绝对黑
体。简称黑体。
对于一般材料的物体，辐射电磁波的
温度除了与温度有关外，还与材料的种
类以及表面状况有关，而黑体辐射电磁
波的强度按波长的分布只与黑体的温度
有关。二、黑体辐射的实验
规律引言
19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅
速发展，技术人员渴望了接热辐射的规
律。如果知道了辐射强度，波长分布与
辐射体的温度的关系，就可以通过光谱
推知钢水的温度。这种需求推动了黑体
辐射的研究。
如果在一个空墙壁上开一个很小的孔，
那么摄入小孔的电磁波在空腔内表面会发生
多次反射和吸收。最终不能从空腔射出，这
个小孔就成了一个绝对黑体。
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)对于黑体，在相同温度下的辐射
规律是相同的。
如果加热小孔，空腔内的温度升高，
小孔就成了不同温度下的黑体了，从小小
孔向外辐射的就是黑体辐射。利用分光技
术和热电偶等设备，测出它所辐射的电磁
波强度按波长的分布情况。
下图为四种温度下黑体热辐射的强度与
波长的关系。
0 1 2 3 4 5 6
λ
(μm)1700K1500K1300K1100K),(0Te实验结果
从中可以看出，随着温度的升高，
各种波长的强度有所增加，而且，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
o紫
克实验值
/μm)(0TM
维恩线瑞利--金斯线外灾难普朗
线
12345678
公式只适用于长波段, 而在紫外区与实验
不符----紫外灾难。
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令
人不安的乌云。三、能量子、超越牛
顿的发现
1、普朗克能量子假说
辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，
这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这
些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些
状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所
允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε称为能量子。能量子的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为量子数。德国物理学家，
量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺
贝尔物理学奖的获得
者。
普朗克的伟大成
就，就是创立了量子
理论，这是物理学史
上的一次巨大变革。
从此结束了经典物理
学一统天下的局面。普朗克
2、普朗克常数
对于频率为ν的能量子最小能量：
ε=hγ
h=6.62610-34焦耳。——普朗克常数
比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，
子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹
就好象是一份电磁波。能量
量子经典3、振子只能一份一份地按不连续
方式辐射或吸收能量
4、意义：
Planck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，提出了能量子、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。
5、黑体辐射公式：
1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式
1π2)(/3
2kThechTM
普朗克后来又为这种与经典物理格格不入
的观念深感不安，只是在经过十多年的努力
证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映
了新理论的本质。
λ(μm)1 2 3 5 6 8 947普朗克实验值),(0Te
普朗克公式与实验结果的比较。曲线是
根据普朗克的公式做出的，小圆代表实验值课堂小结
1、热辐射
固体或液体，在任何温度下都在发射各
种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、
原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
任何物体任何温度均存在热辐射, 温度
升高，发射的能量升高。激光、日光灯发光不是热辐射。
2、黑体：
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生
反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。
简称黑体。
(1)黑体是个理想化的模型。
(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。
3、普朗克常数
对于频率为ν的能量子最小能量：ε=hγ
h=6.62610-34焦耳。——普朗克常数。
4、黑体辐射公式：
1900.10.19 普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式
1π2)(/3
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