第二十一章量子論初步

1、第二十一章 量子論初步本章概述：從本章開始，教材開始涉及微觀粒子的運動規(guī)律。這套教材的編寫與過去的教材有所不同，它把光的波粒二象性和玻爾的原子結構理論分別從光的本性和原子、原子核這兩部分內容中提出，合在一起成為量子論初步這一章，這樣做的目的是為了在介紹物質結構的同時更加突出運動規(guī)律的教學。光電效應一、教學目標1應該掌握的知識方面（1）光電效應現(xiàn)象具有哪些規(guī)律（2）人們研究光電效應現(xiàn)象的目的性（3）愛因斯坦的光子說對光電效應現(xiàn)象的解釋2培養(yǎng)學生分析實驗現(xiàn)象，推理和判斷的能力方面（1）觀察用紫外線燈照射鋅板的實驗，分析現(xiàn)象產生的原因（2）觀察光電效應演示儀的實驗過程，掌握分析現(xiàn)象所得到的結論3結合

2、物理學發(fā)展史使學生了解到科學理論的建立過程，滲透科學研究方法的教育二、重點、難點分析1光電效應現(xiàn)象的基本規(guī)律、光子說的基本思想和做好光電效應的演示實驗是本節(jié)課的重點2難點是（1）對光的強度的理解，（2）發(fā)生光電效應時，為什么光電子數(shù)只與入射光的強度成正比（3）光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，而與入射光的強度無關。三、教具鋅板、驗電器、紫外線燈、白熾燈、絲綢、玻璃棒、光電效應演示儀 教學過程：一、光電效應。光的電磁說，使光的理論發(fā)展到相當完美的地步，取得了巨大成就，但是并不能解釋所有的光現(xiàn)象，光電效應現(xiàn)象的出現(xiàn)，光的電磁說遇到了不可克服的困難。演示光電效應實驗：鋅板被光照后，驗電器帶正電

3、，說明從鋅板表面上發(fā)射出電子在光（包括不可見光）照射下從物體發(fā)射出電子（光子）的現(xiàn)象叫做光電效應。對光電效應的研究，得出如下結論（1）任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光頻率必須大于這個極限頻率才能產生光電效應（2）光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大（線性關系）（3）入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的（ t10-9秒）（4）當入射光頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光強度成正比。這就是光電效應的規(guī)律。金屬中的自由電子，由于受到晶格正離子的吸引，必須從外部獲得足夠能量才能從金屬中逸出。按照波動理論，光的能量是由光的強度決定的，而光的強度又是由光波的振

4、幅決定的，跟頻率無關。因此無論光的頻率如何，只要光的強度足夠大或照射時間足夠長，都能使電子獲得足夠的能量產生光電效應。然而這跟實驗結果是直接矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應。二、光子說1900年德國物理學家普朗克在研究“電磁場輻射的能量分布”時發(fā)現(xiàn)，只有認為電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的，每一份的能量等于hr，理論計算的結果才能跟實驗事實完全符合。普朗克恒量h=6.63×10-34焦耳秒愛因斯坦在上述學說的啟發(fā)下,于1905年提出光的光子說,在空間傳播的光也不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫做一個光子,光子的能量與頻率成正比.E=hr光子說對光電效

5、應的解釋:當光子照射到金屬上時,它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收,電子吸收能量足夠大,能克服金屬內部的引力做功,離開金屬表面逃逸出來,成為光電子.根據(jù)能量守恒定律:mv2/2=hr-W(光電方程)mv2/2_光電子最大初動能W_金屬的逸出功分析P43頁例題3、光電管光電管是利用光電效應把光信號轉化為電信號的器件構造原理：應用：自動化裝置、有聲電影、無線電傳真和光纖通信技術中鞏固練習：1、 用可見光照射鋅板，能否產生光電效應？2、 用一紅光照射銫材料，不產生光電效應，如果用一個凸透鏡將紅光聚焦到此金屬上，并經(jīng)歷相當長時間，能否產生光電效應？為什么？3、 有兩束強度相同的光，以不同的入射角，分

6、別入射到兩塊相同的金屬板上，在相同的時間內，從金屬板逸出的電子數(shù)目是否相等？4、 在圖中，直線PQ表示光電子的最大初動能與入射光頻率r的變化關（1） 圖中哪一個值可確定普朗克恒量h。（2） 圖中哪一個線段表示極限頻率r0的值。（3） 圖中哪一個線段相當于金屬的逸出功W。 光的波粒二象性教學目標：一、知識目標1. 了解事物的連續(xù)性與分立性是相對的；2. 了解光既具有波動性，又具有粒子性；3. 了解光是一種概率波。二、能力目標1. 能自己舉出實例理解連續(xù)性與分立性是相對的；2. 能通過日常和實驗事例理解概率的意義；3. 能領會課本的實驗意義。三、德育目標通過這節(jié)課的學習，領會實驗是檢驗真理的唯一標

7、準；體會我們唯有敢于打破舊的傳統(tǒng)的經(jīng)驗才能有所創(chuàng)新、有所發(fā)現(xiàn)。教學重點：1.光具有波粒二象性；2.光是一種概率波。教學難點：1.概率概念；2.光波是概率波。教學方法：在學生閱讀課文及康普頓效應材料的基礎上對分立性和連續(xù)性、概率、光波是概率波等問題展開課堂討論，由學生回答課本提出的問題，最后由教師歸納，統(tǒng)一認識。教學過程引入:光的本質是什么？有誰能夠講一講你在這方面所了解到的內容？確實，對光的本質的認識，在物理學發(fā)展史上有著曲折的過程，而且有過激烈的爭論爭論的焦點為光到底是粒子還是波而且都試圖把光的本性歸結到自己的觀點之中，但事實未能使人們如愿光的干涉、衍射雄辯地說明光是一種波，光電效應等現(xiàn)象又

8、無可非議地說明光是粒子(當然這里的波已不再是惠更斯提出的在“以太”中傳播的彈性脈動波，而這里的粒子也不再是牛頓微粒說中的彈性粒子，而是光子)，最終人們不得不承認，光既有波動性又有粒子性，即光具有波粒二象性這樣一個事實一光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性為了更好地說明光具有波粒二象性，讓我們循著前人的足跡來回顧一下有關的實驗介紹實驗：用微弱的光照射雙縫，并使光通過雙縫到達光屏(感光膠片)，在照射時間不太長的情況下，膠片上的點跡是隨機、散落而且是毫無規(guī)律的這個事實說明了光是“一份一份”的粒子1、光是粒子(光了)對于隨機散落的光子，隨著照射時間的延長，膠片上的痕跡表現(xiàn)出光在某個區(qū)域落腳的

9、可能性較大，而在另一些區(qū)域分布較少的規(guī)律性分布該分布的情況恰好與用強光照射(此時可認為光是連續(xù)的)形成干涉條紋的情況相吻合，這種規(guī)律性與波動的規(guī)律一致所以我們說光是一種波2、光是一種波單個光子的隨機性與大量光子的規(guī)律性也體現(xiàn)了對事物認識的一個重要觀點，這就是：分立性與連續(xù)性是相對的光子的行為服從統(tǒng)計規(guī)律干涉加強處表示光子到達的數(shù)目多，從統(tǒng)計的觀點來看就是光子在該處出現(xiàn)的概率大，干涉減弱處表示光子到達的數(shù)目少，也就是光子在該處出現(xiàn)的概率小這種概率的大小眼從波動規(guī)律，因此我們把光波叫做概率波二、光子在空間各點出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，所以物理學中把光波叫做概率波從經(jīng)典物理學的角度上講，波動應該是質點

10、間相互作用的結果在這里，光子具有波動性就應該是光子與光子作用的結果但人們發(fā)現(xiàn)在上述雙縫實驗中，假使光很弱，弱到光子一個一個地射向膠片(這時排除了光子間有相互作用)，在照射時間足夠長時，底片上最終還是形成了干涉圖樣，這說明波動性不是由于光子間相互作用引起的，而是單個光子的固有屬性更有趣的是，盡管讓光子一個一個地通過狹縫，如果擋住一個縫，干涉條紋不再出現(xiàn)，好像一個獨立運動的光子能“知道”另一個狹縫的存在似的這一點似乎讓人不可思議，其實這也說明波動性恰是光子的固有特性請同學們閱讀教材第47頁最后兩段，談談你的認識這部分內容告訴我們，對微觀領域不能抱著宏觀的、固有的模式去理解，而應建立一個全新的模型只

11、要該模型能正確地代表研究對象，很好地解釋其現(xiàn)象和規(guī)律，則可承認其正確性光的波粒二象性正是這樣一個“古怪”而被事實證明是正確的模型建立模型是科學研究的需要模型的正確與否要看其能否正確反映研究對象的客觀規(guī)律作業(yè)課本練習二第(2)、(3)題做在練習本上閱讀教材閱讀材料：康普頓效應說明1概率波是學生沒有接觸過的一個概念，要注意通過教學使學生能夠初步認識到它與水波、沿繩傳播的波本質是不一樣的2教學中還應注意培養(yǎng)學生學會打破習慣化的思維模式，學會用新的視角去觀察、理解問題能級 一、教學目標1了解原子的玻爾模型2了解原子能級概念和氫原子的能級圖3了解玻爾理論的重要意義及其局限性 二、重點、難點分析1原子的玻

12、爾模型是本節(jié)課的重點內容。2對原子發(fā)光現(xiàn)象的解釋是學習的難點。 三、主要教學過程（一）新課引入前一節(jié)提到盧瑟福的原子核式結構學說跟經(jīng)典的電磁理論產生了矛盾，這說明了經(jīng)典的電磁理論不適用于原子結構那么怎么解釋原子是穩(wěn)定的？又怎么解釋原子發(fā)光的光譜不是連續(xù)光譜呢？（二）教學過程設計1玻爾的原子模型（1）原子的穩(wěn)定性經(jīng)典的電磁理論認為電子繞原子核旋轉，由于電子輻射能量，因此隨著它的能量減少，電子運行的軌道半徑也減小，最終要落入原子核中玻爾在1913年結合普朗克的量子理論針對這一問題提出新的觀點玻爾假設一：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射

13、能量這些狀態(tài)叫做定態(tài)說明：這一說法和事實是符合得很好的，電子并沒有被庫侖力吸引到核上，就像行星繞著太陽運動一樣這里所說的定態(tài)是指原子可能的一種能量狀態(tài)，有某一數(shù)值的能量，這些能量包含了電子的動能和電勢能的總和（2）原子發(fā)光的光譜經(jīng)典的電磁理論認為電子繞核運行的軌道不斷的變化，它向外輻射電磁波的頻率應該等于繞核旋轉的頻率因此原子輻射一切頻率的電磁波，大量原子的發(fā)光光譜應該是連續(xù)光譜玻爾針對這一問題提出新的觀點玻爾假設二：原子從一種定態(tài)（E初）躍遷到另一種定態(tài)（E終）時，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即h =E初-E終說明：這一說法也和事實符合得很好，原子發(fā)光

14、的光譜是由一些不連續(xù)的亮線組成的明線光譜（3）原子能量狀態(tài)和電子軌道玻爾假設三：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運動相對應原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的2氫原子的軌道半徑和能量（本部分內容中半徑公式和能量公式實驗教材不講）玻爾從上述假設出發(fā)，利用庫侖定律和量子論初步，計算出了氫的電子可能的軌道半徑和對應的能量根據(jù)計算結果概括為公式：說明公式中r1、E1和rn、En的意義，并說明n是正整數(shù)，叫做量子數(shù)，r1=0.53×10-10m，E1=-13.6eV n=2，3，4時，相應的能量為E2=-3.4eV、E3=-1.51eV、E4=-0.85eVE

15、=03氫原子的能級氫原子在各種定態(tài)時的能量值叫做能極，根據(jù)以上的計算，可畫出示意的能級圖原子最低能級所對應的狀態(tài)叫做基態(tài)，比基態(tài)能量高的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，電子克服庫侖引力做功增大電勢能，原子的能量增加要吸收能量原子也可以從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷，電子所受庫侖力做正功減小電勢能，原子的能量減少要輻射出能量，這一能量以光子的形式放出明確：原子的能量增加是因為電子增加的電勢能大于電子減少的動能；反之原子的能量減少是因為電子減少的電勢能大于電子增加的動能原子無論吸收能量還是輻射能量，這個能量不是任意的，而是等于原子發(fā)生躍遷的兩個能級間的能量差明確：一個原子可以有許多不同的能量狀態(tài)和相應的能

16、級，但在某一時刻，一個原子不可能既處于這一狀態(tài)也處于那一狀態(tài)如果有大量的原子，它們之中有的處于這一狀態(tài)，有的處于那一狀態(tài)氫光譜的觀測就說明了這一事實，它的光譜線不是一個氫原子發(fā)出的，而是不同的氫原子從不同的能級躍遷到另一些不同能級的結果例有大量的氫原子，吸收某種頻率的光子后從基態(tài)躍遷到n=3的激發(fā)態(tài)，已知氫原子處于基態(tài)時的能量為E1，則吸收光子的頻率 =_，當這些處于激發(fā)態(tài)的氫原子向低能態(tài)躍遷發(fā)光時，可發(fā)出_條譜線，輻射光子的能量為_分析：根據(jù)玻爾的第二條假設，當原子從基態(tài)躍遷到n=3的激發(fā)態(tài)當原子從n=3的激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時，由于是大量的原子，可能的躍遷有多種，如從n=3到n=1，從n=3

17、到n=2，再從n=2到n=1，因此應該發(fā)出三條譜線，三條譜線光子的能量分別為學說和量子理論結合，以原子的穩(wěn)定性和原子的明線光譜作為實驗基礎而提出的認識玻爾理論的關鍵是從“不連續(xù)”的觀點即量子論觀點理解電子的可能軌道和能量狀態(tài)玻爾理論對氫光譜的解釋是成功的，但對其它原子光譜的解釋就出現(xiàn)了較大的困難，顯然玻爾理論有一定的局限性物質波教學目標1、知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性；知道德布羅意波和粒子動量的關系；了解牛頓力學的局限性。2、本節(jié)是光的波粒二象性的繼續(xù)，也是量子力學研究范疇的進一步推廣。通過兩者的對比，認識它們本質上的一致性。3、通過本節(jié)課的學習，使學生用科學的眼光審視光子和實物粒子作

18、為物質世界的一部分所表現(xiàn)出的差異性和統(tǒng)一性。教學重點、難點理解實物粒子也具有波粒二象性是本節(jié)的重點，也是難點。教具：光譜儀教學過程引入新課光是一種物質，它既具有粒子性（光子），又具有波動性。受此啟發(fā)，人們想到：同樣作為物質的實物粒子（如電子、原子、分子等），是否也具有波動性呢？ 1924年，德國物理學家德布羅意大膽地作出了肯定的回答，他認為所有的實物都具有波動性，人們把它稱為物質波，也叫德布羅意。1. 實物粒子同時具有波動性（二象性），這種波稱為物質波，也叫德布羅意波。德布羅意同時給出如下關系式：= ：德布羅意波波長； p：運動物體的動量；h：普朗克常量我們?yōu)槭裁从^察不到宏觀物體的波動性呢？經(jīng)過計算（教材第54頁例題），宏觀物體的波長比微觀粒子的波長小得多，這在生活中很難找到能發(fā)生衍射的障礙物，所以我們并不認為微觀它具有波動性，作為微觀粒子的電子，其德布羅意波波長為1010m數(shù)量級，找與之相匹配的障礙物也非易事。美國的兩位科學家巧妙地相到利用晶格擔此角色，并成功地觀察到了衍射圖樣，從而說明實物粒子確有波動性。既然實物粒子具有波動性，那么從同一粒子源發(fā)出的粒子級雙縫后，也會形成干涉圖樣。這一現(xiàn)象用牛頓定律是解釋不通的，因為依慣性定律，粒子經(jīng)雙縫后，由于不受外力，應沿著直線