第二十一章量子论初步.docx
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第二十一章量子论初步
第二十一章量子论初步
本章概述：
从本章开始，教材开始涉及微观粒子的运动规律。
这套教材的编写与过去的教材有所不同，它把光的波粒二象性和玻尔的原子结构理论分别从光的本性和原子、原子核这两部分内容中提出，合在一起成为量子论初步这一章，这样做的目的是为了在介绍物质结构的同时更加突出运动规律的教学。
光电效应
一、教学目标
1．应该掌握的知识方面．
（1）光电效应现象具有哪些规律．
（2）人们研究光电效应现象的目的性．
（3）爱因斯坦的光子说对光电效应现象的解释．
2．培养学生分析实验现象，推理和判断的能力方面．
（1）观察用紫外线灯照射锌板的实验，分析现象产生的原因．
（2）观察光电效应演示仪的实验过程，掌握分析现象所得到的结论．
3．结合物理学发展史使学生了解到科学理论的建立过程，渗透科学研究方法的教育．
二、重点、难点分析
1．光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点．
2．难点是
（1）对光的强度的理解，
（2）发生光电效应时，为什么光电子数只与入射光的强度成正比．
（3）光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。
三、教具
锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪
教学过程：
一、光电效应。
光的电磁说，使光的理论发展到相当完美的地步，取得了巨大成就，但是并不能解释所有的光现象，光电效应现象的出现，光的电磁说遇到了不可克服的困难。
演示光电效应实验：
锌板被光照后，验电器带正电，
说明从锌板表面上发射出电子
在光（包括不可见光）照射下
从物体发射出电子（光子）的现象叫做光电效应。
对光电效应的研究，得出如下结论
（1）任何一种金属，都有一个极限频率，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应
（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大（线性关系）
（3）入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的（t﹤10-9秒）
（4）当入射光频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光强度成正比。
这就是光电效应的规律。
金属中的自由电子，由于受到晶格正离子的吸引，必须从外部获得足够能量才能从金属中逸出。
按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关。
因此无论光的频率如何，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都能使电子获得足够的能量产生光电效应。
然而这跟实验结果是直接矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
二、光子说
1900年德国物理学家普朗克在研究“电磁场辐射的能量分布”时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份的能量等于hr，理论计算的结果才能跟实验事实完全符合。
普朗克恒量h=6.63×10-34焦耳．秒
爱因斯坦在上述学说的启发下,于1905年提出光的光子说,
在空间传播的光也不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量与频率成正比.E=hr
光子说对光电效应的解释:
当光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收能量足够大,能克服金属内部的引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子.
根据能量守恒定律:
mv2/2=hr-W（光电方程）
mv2/2___光电子最大初动能
W______金属的逸出功
分析P43页例题
3、光电管
光电管是利用光电效应把光信号转化为电信号的器件
构造原理：
应用：
自动化装置、有声电影、无线
电传真和光纤通信技术中
巩固练习：
1、用可见光照射锌板，能否产生光电效应？
2、用一红光照射铯材料，不产生光电效应，如果用一个凸透镜将红光聚焦到此金属上，并经历相当长时间，能否产生光电效应？
为什么？
3、有两束强度相同的光，以不同的入射角，分别入射到两块相同的金属板上，在相同的时间内，从金属板逸出的电子数目是否相等？
4、在图中，直线PQ表示光电子的最大初动能与入射光频率r的变化关
（1）
图中哪一个值可确定普朗克恒量h。
（2）图中哪一个线段表示极限频率r0的值。
（3）图中哪一个线段相当于金属的逸出功W。
光的波粒二象性
教学目标：
一、知识目标
1.了解事物的连续性与分立性是相对的；
2.了解光既具有波动性，又具有粒子性；
3.了解光是一种概率波。
二、能力目标
1.能自己举出实例理解连续性与分立性是相对的；
2.能通过日常和实验事例理解概率的意义；
3.能领会课本的实验意义。
三、德育目标
通过这节课的学习，领会实验是检验真理的唯一标准；体会我们唯有敢于打破旧的传统的经验才能有所创新、有所发现。
教学重点：
1.光具有波粒二象性；2.光是一种概率波。
教学难点：
1.概率概念；2.光波是概率波。
教学方法：
在学生阅读课文及《康普顿效应》材料的基础上对分立性和连续性、概率、光波是概率波等问题展开课堂讨论，由学生回答课本提出的问题，最后由教师归纳，统一认识。
教学过程
引入:
光的本质是什么？
有谁能够讲一讲你在这方面所了解到的内容？
确实，对光的本质的认识，在物理学发展史上有着曲折的过程，而且有过激烈的争论．争论的焦点为——光到底是粒子还是波．而且都试图把光的本性归结到自己的观点之中，但事实未能使人们如愿．
光的干涉、衍射雄辩地说明光是一种波，光电效应等现象又无可非议地说明光是粒子（当然这里的波已不再是惠更斯提出的在“以太”中传播的弹性脉动波，而这里的粒子也不再是牛顿微粒说中的弹性粒子，而是光子），最终人们不得不承认，光既有波动性又有粒子性，即光具有波粒二象性这样一个事实．
一．光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性．
为了更好地说明光具有波粒二象性，让我们循着前人的足迹来回顾一下有关的实验．
介绍实验：
用微弱的光照射双缝，并使光通过双缝到达光屏（感光胶片），在照射时间不太长的情况下，胶片上的点迹是随机、散落而且是毫无规律的．这个事实说明了光是“一份一份”的粒子．
1、光是粒子（光了）．
对于随机散落的光子，随着照射时间的延长，胶片上的痕迹表现出光在某个区域落脚的可能性较大，而在另一些区域分布较少的规律性分布．该分布的情况恰好与用强光照射（此时可认为光是连续的）形成干涉条纹的情况相吻合，这种规律性与波动的规律一致．所以我们说光是一种波．
2、光是一种波．
单个光子的随机性与大量光子的规律性也体现了对事物认识的一个重要观点，这就是：
分立性与连续性是相对的．
光子的行为服从统计规律．干涉加强处表示光子到达的数目多，从统计的观点来看就是光子在该处出现的概率大，干涉减弱处表示光子到达的数目少，也就是光子在该处出现的概率小．这种概率的大小眼从波动规律，因此我们把光波叫做概率波．
二、光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，所以物理学中把光波叫做概率波．
从经典物理学的角度上讲，波动应该是质点间相互作用的结果．在这里，光子具有波动性就应该是光子与光子作用的结果．但人们发现在上述双缝实验中，假使光很弱，弱到光子一个一个地射向胶片（这时排除了光子间有相互作用），在照射时间足够长时，底片上最终还是形成了干涉图样，这说明波动性不是由于光子间相互作用引起的，而是单个光子的固有属性．
更有趣的是，尽管让光子一个一个地通过狭缝，如果挡住一个缝，干涉条纹不再出现，好像一个独立运动的光子能“知道”另一个狭缝的存在似的．这一点似乎让人不可思议，其实这也说明波动性恰是光子的固有特性．
请同学们阅读教材第47页最后两段，谈谈你的认识．
这部分内容告诉我们，对微观领域不能抱着宏观的、固有的模式去理解，而应建立一个全新的模型．只要该模型能正确地代表研究对象，很好地解释其现象和规律，则可承认其正确性．光的波粒二象性正是这样一个“古怪”而被事实证明是正确的模型．
建立模型是科学研究的需要．模型的正确与否要看其能否正确反映研究对象的客观规律．
作业
课本练习二第
（2）、（3）题做在练习本上．
阅读教材阅读材料：
《康普顿效应》．
说明
1．概率波是学生没有接触过的一个概念，要注意通过教学使学生能够初步认识到它与水波、沿绳传播的波本质是不一样的．
2．教学中还应注意培养学生学会打破习惯化的思维模式，学会用新的视角去观察、理解问题．
能级
一、教学目标
1．了解原子的玻尔模型
2．了解原子能级概念和氢原子的能级图．
3．了解玻尔理论的重要意义及其局限性．
二、重点、难点分析
1．原子的玻尔模型是本节课的重点内容。
2．对原子发光现象的解释是学习的难点。
三、主要教学过程
（一）新课引入
前一节提到卢瑟福的原子核式结构学说跟经典的电磁理论产生了矛盾，这说明了经典的电磁理论不适用于原子结构．那么怎么解释原子是稳定的？
又怎么解释原子发光的光谱不是连续光谱呢？
（二）教学过程设计
1．玻尔的原子模型．
（1）原子的稳定性．
经典的电磁理论认为电子绕原子核旋转，由于电子辐射能量，因此随着它的能量减少，电子运行的轨道半径也减小，最终要落入原子核中．
玻尔在1913年结合普朗克的量子理论针对这一问题提出新的观点．
玻尔假设一：
原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．这些状态叫做定态．
说明：
这一说法和事实是符合得很好的，电子并没有被库仑力吸引到核上，就像行星绕着太阳运动一样．这里所说的定态是指原子可能的一种能量状态，有某一数值的能量，这些能量包含了电子的动能和电势能的总和．
（2）原子发光的光谱．
经典的电磁理论认为电子绕核运行的轨道不断的变化，它向外辐射电磁波的频率应该等于绕核旋转的频率．因此原子辐射一切频率的电磁波，大量原子的发光光谱应该是连续光谱．
玻尔针对这一问题提出新的观点．
玻尔假设二：
原子从一种定态（E初）跃迁到另一种定态（E终）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即
h
=E初-E终．
说明：
这一说法也和事实符合得很好，原子发光的光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱．
（3）原子能量状态和电子轨道．
玻尔假设三：
原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的．
2．氢原子的轨道半径和能量．（本部分内容中半径公式和能量公式实验教材不讲）
玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和量子论初步，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量．
根据计算结果概括为公式：
说明公式中r1、E1和rn、En的意义，并说明n是正整数，叫做量子数，r1=0.53×10-10m，E1=-13.6eV．n=2，3，4…时，相应的能量为E2=-3.4eV、E3=-1.51eV、E4=-0.85eV…E∞=0．
3．氢原子的能级．
氢原子在各种定态时的能量值叫做能极，根据以上的计算，可画出示意的能级图．
原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态．
原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸收能量．
原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出．
明确：
原子的能量增加是因为电子增加的电势能大于电子减少的动能；反之原子的能量减少是因为电子减少的电势能大于电子增加的动能．
原子无论吸收能量还是辐射能量，这个能量不是任意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差．
明确：
一个原子可以有许多不同的能量状态和相应的能级，但在某一时刻，一个原子不可能既处于这一状态也处于那一状态．如果有大量的原子，它们之中有的处于这一状态，有的处于那一状态．氢光谱的观测就说明了这一事实，它的光谱线不是一个氢原子发出的，而是不同的氢原子从不同的能级跃迁到另一些不同能级的结果．
[例]有大量的氢原子，吸收某种频率的光子后从基态跃迁到n=3的激发态，已知氢原子处于基态时的能量为E1，则吸收光子的频率
=_______，当这些处于激发态的氢原子向低能态跃迁发光时，可发出_________条谱线，辐射光子的能量为________．
分析：
根据玻尔的第二条假设，当原子从基态跃迁到n=3的激发态
当原子从n=3的激发态向低能态跃迁时，由于是大量的原子，可能的跃迁有多种，如从n=3到n=1，从n=3到n=2，再从n=2到n=1，因此应该发出三条谱线，三条谱线光子的能量分别为
学说和量子理论结合，以原子的稳定性和原子的明线光谱作为实验基础而提出的．认识玻尔理论的关键是从“不连续”的观点即量子论观点理解电子的可能轨道和能量状态．玻尔理论对氢光谱的解释是成功的，但对其它原子光谱的解释就出现了较大的困难，显然玻尔理论有一定的局限性．
物质波
教学目标
1、知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性；知道德布罗意波和粒子动量的关系；了解牛顿力学的局限性。
2、本节是光的波粒二象性的继续，也是量子力学研究范畴的进一步推广。
通过两者的对比，认识它们本质上的一致性。
3、通过本节课的学习，使学生用科学的眼光审视光子和实物粒子作为物质世界的一部分所表现出的差异性和统一性。
教学重点、难点
理解实物粒子也具有波粒二象性是本节的重点，也是难点。
教具：
光谱仪
教学过程
引入新课
光是一种物质，它既具有粒子性（光子），又具有波动性。
受此启发，人们想到：
同样作为物质的实物粒子（如电子、原子、分子等），是否也具有波动性呢？
1924年，德国物理学家德布罗意大胆地作出了肯定的回答，他认为所有的实物都具有波动性，人们把它称为物质波，也叫德布罗意。
1.实物粒子同时具有波动性（二象性），这种波称为物质波，也叫德布罗意波。
德布罗意同时给出如下关系式：
λ=
λ：
德布罗意波波长；p：
运动物体的动量；
h：
普朗克常量
我们为什么观察不到宏观物体的波动性呢？
经过计算（教材第54页例题），宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为微观它具有波动性，作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10—10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事。
美国的两位科学家巧妙地相到利用晶格担此角色，并成功地观察到了衍射图样，从而说明实物粒子确有波动性。
既然实物粒子具有波动性，那么从同一粒子源发出的粒子级双缝后，也会形成干涉图样。
这一现象用牛顿定律是解释不通的，因为依惯性定律，粒子经双缝后，由于不受外力，应沿着直线运动，最终只能形成两条“亮线”（参看教材第53页图21—9），而不能形成干涉图样，这与实际情况不相符的，所以牛顿定律在此已不适用了。
2.对于微观粒子，牛顿定律已经不再适用了。
物质波和光波一样，都属概率波。
概率波的实质是指粒子在空间的分布的概率是受波动规律支配的。
3.物质波也是概率波
前文提到，玻尔的原子模型遇到困难的原因之一是采用了“轨道”的概念。
实际上，对电子而言，它在核外的轨道一说是无意义的。
原子处于不同的能量状态，是由于电子在个处出现的概率不同来决定的。
若用疏密不同的点代表在原子核周围出现的概率，画出的图象一样，称为电子云。
作业
教材练习四⑴、⑵做在练习本上。
阅读教材《显微镜的分辨本领》。
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