广东工业大学：《大学物理》课程教学资源（教案讲义）08 量子物理

太学物理课程教案(49) 授课类型理论课 授课时间2节 一、授课塑目（散学章节或主题）： 第15章量子化 171黑体辐射 172光子 二、本授课单元教学目标或要求： 了解和熟悉微观世界的基本特征，了解黑体辐射规律及量子概念的测生，理解光电效应的 实检规律以及爱因斯坦光子理论对光电效应的解释， 三、本授课单元教学内容（包朝基本内容、重点、乘点，引导学生解决重点难点的方法、例思等）： 基本内容 17.1属体辐射 1、热辐射现象 1)单色辐出度M, 2)辐出度MT)=厂M,(TdA 3》绝对■体的概念 2、飘体辐射的实验规律 1)斯成潘藏尔整曼定律 M(T)=aT,o=5.67×10*Wm2K 2)维恩位移定律 入·T=bb=2.898x103mK 3、经奥理论的困难 D维题公式M,(们)-Ge务， CC为常数，此公式在长波方向与实验数据不符 2)瑞利-金斯公式M,(T)=2xCT,Gk为常数， 此公式在短波（高频）区规明显与实验结果不符，而理论上却找不出错误一一“紫外线灾难” 2、普朝克能量量子化假设 ①辐财体看成许多带电线性谐振子组成： ②这些谐嚴子短射或吸收的能量是量子化的，最小能量单元为 6=hy方=6.626×10“Js为普朗克常数 物体发射或吸收的能量只能是办Ψ的整数倍，即： E.=nhv n=1,23

2 大学物理 课程教案（49） 授课类型 理论课 授课时间 2 节 一、授课题目（教学章节或主题）： 第15章 量子化 17.1 黑体辐射 17.2 光子 二、本授课单元教学目标或要求： 了解和熟悉微观世界的基本特征，了解黑体辐射规律及量子概念的诞生，理解光电效应的 实验规律以及爱因斯坦光子理论对光电效应的解释。 三、本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，引导学生解决重点难点的方法、例题等）： 基本内容 17.1 黑体辐射 1、热辐射现象 1）单色辐出度 M 2）辐出度 M(T) M (T)d 0   3）绝对黑体的概念 2、黑体辐射的实验规律 1）斯忒藩-玻尔兹曼定律 4 8 2 4 ( ) , 5.67 10 . .    M T  T    W m K 2）维恩位移定律 m T b, b 2.898 10 .m.K 3      3、经典理论的困难 1）维恩公式 T c M T c e    2 5 1 ( )    ， 1, 2 c c 为常数，此公式在长波方向与实验数据不符 2）瑞利-金斯公式 M T c kT 4 ( ) 2      ， c, k 为常数， 此公式在短波(高频）区域明显与实验结果不符，而理论上却找不出错误——“ 紫外线灾难” 2、普朗克能量量子化假设 ① 辐射体看成许多带电线性谐振子组成； ② 这些谐振子辐射或吸收的能量是量子化的，最小能量单元为 h h 6.626 10 J.s 34      为普朗克常数 物体发射或吸收的能量只能是 h 的整数倍，即： En  nh n 1, 2, 3, 

普朗克公式 M,(0=2xhr31 普朗克公式与实验曲线符合得相当好· 17.2光子 1、光电效应 光电效应是指由于光的黑射而导致金属体内的电子从表面逸出的物理现象。 1)光电效应的实验规律 A)当入光规率V>,时，电子才能追出金属表面：截止频率与材料有关，与光强无关 B)当V>时，光射到金属表面上，立即就有光电子遂出： C)遇止电压与入射光频率成线性关系。 2)爱因斯坦对光电效应规律的解择 1905年爱因斯目在普朗克能量子假设的基础上提出光子假设 光束是一群以速度©运动的较子流，称为光子，每个光子具有能量和动量 g=hv,p= 爱因斯坦光电效应方程：hv=A+,m 2、举例 例1由太阳的单色辐出度的峰值波长入，试由此佔算太阳表面的温度。 例2铂的选出功为63©V,求铂的光电效应载止顿率%· 例3求波长为20m紫外线光子的能量，动量及质量， 数学重点：普朝克能量量子化假设，光子的概念，光电效应的实验规律，光电效应的爱因斯烟 方程. 教学难点：黑体辐射的实验规律，经典理论及量子理论对黑体辐射实险规律的解释， 引导学生解决重点难点的方法：承认历史，转变观之， 四、本投课单元教学手段与方法： 牌授法。多媒体课件结合黑板板书，公式推导以黑版板书为主。 五、本授课单元思考题、讨论愿、作业： 思考愿：教材选择题17-2,173,175,176： 六、本授投课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）： 3

3 普朗克公式 普朗克公式与实验曲线符合得相当好。 17.2 光 子 1、光电效应 光电效应是指由于光的照射而导致金属体内的电子从表面逸出的物理现象。 1）光电效应的实验规律 A) 当入射光频率   0 时，电子才能逸出金属表面；截止频率与材料有关，与光强无关； B) 当   0 时，光照射到金属表面上，立即就有光电子逸出； C) 遏止电压与入射光频率成线性关系。 2）爱因斯坦对光电效应规律的解释 1905 年 爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上提出光子假设: 光束是一群以速度 c 运动的粒子流, 称为光子. 每个光子具有能量和动量    h  h , p  爱因斯坦光电效应方程： 2 2 1 h  A mvm 2、举例 例 1 由太阳的单色辐出度的峰值波长入, 试由此估算太阳表面的温度。 例 2 铂的逸出功为 6.3 eV，求铂的光电效应截止频率  0 。 例 3 求波长为 20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。 教学重点：普朗克能量量子化假设，光子的概念，光电效应的实验规律，光电效应的爱因斯坦 方程。 教学难点：黑体辐射的实验规律，经典理论及量子理论对黑体辐射实验规律的解释。 引导学生解决重点难点的方法：承认历史，转变观念。 四、本授课单元教学手段与方法： 讲授法。多媒体课件结合黑板板书，公式推导以黑板板书为主。 五、本授课单元思考题、讨论题、作业： 思考题：教材选择题 17-2，17-3，17-5，17-6； 六、本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）： 1 1   h kT c e h M T     2 3 2 ( )

参考书：1，《大学物理练习题汇编》 2、张三慧编著。大学基础物理学，清华大学出版社，2003 3、程好沫江之水编.普通物理学，高等教育出版社，195： 大学物理课程教案(50) 授课类型理论课 授课时间2节 一、授课题目（教季章节或主题）： 第17章量子化 173玻尔的氢原子横型 二、本授课单元数学目标或要求： 了解和熟透微观世界的基本特征。了解氢原子光谱的实的规律一巴尔末公式，了解玻尔提出 氢原子理论的科学背景和思想方法，理解氯原子的被尔模型对氯原子光谱实验规律的解释，了解 玻尔模型的进步意文和局限性。 三、本授课单元教学内容（包新基本内容，重点、准点，引导学生解决重点难点的方法、例题等） 基本内容 173袁尔的氢原子模型 1、氢原子光请的实验规律 19世纪中叶，发现氢原子光谱在可见完区有四条滞线。分别叫H,Ha,月，H。线：1885年巴 尔末发现上述谱线可用如下经验公式表示： 立==Rn 11 2) R,=1.09677576×107m 取和=3456，可以计算出上述四条谱线的波长值。与实验测量值符合得相当好，上述谱 线构成的线系称为巴尔术线弱， 氧光语中，除可见光区的巴尔末系外，还有繁外的赖曼系，红外的帕那系，布拉开系和普丰 德系。 上述五个线系可以用一个经验公式一一里德堡公式表示 取A=1,附=23,4.5…。为赖曼弱：取k=3,n=45.67,为帕那系：取k=4,N=5.678…, 为布拉开系：取k-5,”=6,7,8,为普丰德系： 2、经典理论的用难

4 参考书：1、《大学物理练习题汇编》 2、张三慧编著，大学基础物理学，清华大学出版社，2003； 3、程守洙 江之永编, 普通物理学，高等教育出版社，1995； 大学物理 课程教案（50） 授课类型 理论课 授课时间 2 节 一、授课题目（教学章节或主题）： 第 17 章 量子化 17.3 玻尔的氢原子模型 二、本授课单元教学目标或要求： 了解和熟悉微观世界的基本特征。了解氢原子光谱的实验规律—巴尔末公式，了解玻尔提出 氢原子理论的科学背景和思想方法，理解氢原子的玻尔模型对氢原子光谱实验规律的解释，了解 玻尔模型的进步意义和局限性。 三、本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，引导学生解决重点难点的方法、例题等）： 基本内容 17.3 玻尔的氢原子模型 1、氢原子光谱的实验规律 19 世纪中叶，发现氢原子光谱在可见光区有四条谱线，分别叫 H H H H , , , 线；1885 年巴 尔末发现上述谱线可用如下经验公式表示： ) 1 2 1 ( ~ 1 2 2 n   RH    7 1 H R 1.09677576 10 m   取 n  3,4,5,6…，可以计算出上述四条谱线的波长值，与实验测量值符合得相当好，上述谱 线构成的线系称为巴尔末线系。 氢光谱中，除可见光区的巴尔末系外，还有紫外的赖曼系，红外的帕邢系，布拉开系和普丰 德系。 上述五个线系可以用一个经验公式—— 里德堡公式表示 ) 1 1 ( ~ 1 2 2 k n   RH    取 k = 1，n = 2,3,4,5…，为赖曼系；取 k = 3，n = 4,5,6,7…，为帕邢系；取 k = 4，n = 5,6,7,8…， 为布拉开系；取 k =5，n = 6,7,8…，为普丰德系； 2、经典理论的困难

汤婚进核型一一正负电背及单子的质量均匀分剩在半轻r=100m的小缘体内。 卢琴福提出一种行星倾型一一原子由带正电的原子核和核外作轨道运动的电子组成。 但按卢的模型，电子绕核转动有加速度一一想射电磁被，光谱应连续：另电子的能量不新诚 少，最后落到核上一一原子系统不稳定。 3、玻尔的氢原子慎型 玻尔在卢的核式结构模型基础上，把量子化概念运用于原子系统，提出如下三个基本假设： (1》量子化定老假设一原子处在一系列能量不连线的状态，在这些状态中，电子虽然饶核作 加速运动。但不辐射能量，这些状布称为定态。 (2)轨道角动量量子化假设一电子绕核作置周运动的轨道角动量是量子化的，即 L=报。=。 n=L,2,3·(量子化条件) (3)量子化跃迁的须率法斯一原子从一个能量为E,的定态跃迁到另一个能量为E的定态 时，发出单色光，其顿率由下式决定 hv=E-E 由基本假设得到的结论 (1)轨道量子化 r=W'n ”=L23…1=5 Tme园 =529×10"m为第一装尔轨道半径 (2)能量量子化 6月 n=1n23…5=- G厅-136eV为基态能量 基态是原子的稳定状态。氢原子的基态电离能为13.6V。基态的氢原子其核外电子的轨道半 径大约为0053nm。 目■8面 (3)氯原子能级图 把各定志的能量用 m=3 2 横线表示得氢原子 能领图。 南■1 4、玻尔模型的局限性 (1》装尔理论只能说明复原子及类氢离子（外层只有一个电子的离子）光谱的规律性。不能解 释多电子原子的光讲。 (2》逻辑上有肤常玻尔把微观粒子看成遵循牛顿力学规律的经典粒子并强加量子化条件。故 玻尔理论只能说是一个半经典半量子的理论

5 汤姆逊模型 —— 正负电荷及原子的质量均匀分布在半径 10 10 r  m 的小球体内。 卢瑟福提出一种行星模型——原子由带正电的原子核和核外作轨道运动的电子组成。 但按卢的模型，电子绕核转动有加速度——辐射电磁波，光谱应连续；另电子的能量不断减 少，最后落到核上——原子系统不稳定。 3、玻尔的氢原子模型 玻尔在卢的核式结构模型基础上，把量子化概念运用于原子系统，提出如下三个基本假设： （1）量子化定态假设——原子处在一系列能量不连续的状态，在这些状态中，电子虽然绕核作 加速运动，但不辐射能量，这些状态称为定态。 （2）轨道角动量量子化假设——电子绕核作圆周运动的轨道角动量是量子化的，即 1, 2, 3, 2   n  h L m rn n  v （量子化条件） （3）量子化跃迁的频率法则——原子从一个能量为 En 的定态跃迁到另一个能量为 Ek 的定态 时，发出单色光，其频率由下式决定 h  En  Ek 由基本假设得到的结论 （1）轨道量子化 rn  n 2 r1 n 1, 2, 3,  为第一玻尔轨道半径 （2）能量量子化  2 1 n 1, 2, 3, n E En 13.6 8 2 2 0 4 1     h me E  eV 为基态能量 基态是原子的稳定状态。氢原子的基态电离能为 13.6eV。基态的氢原子其核外电子的轨道半 径大约为 0.053 nm。 （3）氢原子能级图 把各定态的能量用 横线表示得氢原子 能级图。 4、玻尔模型的局限性 （1）玻尔理论只能说明氢原子及类氢离子（外层只有一个电子的离子）光谱的规律性，不能解 释多电子原子的光谱。 （2）逻辑上有缺陷 玻尔把微观粒子看成遵循牛顿力学规律的经典粒子并强加量子化条件。故 玻尔理论只能说是一个半经典半量子的理论。 5.29 10 m 11 2 2 0 1     me h r   n=∞ n=1 n=2 n=3 n=4 n=1 n=2 n=3

例1氢原子光谱的巴耳末线系中。有一光谱线的波长为434m,试求： (1》与这一谐线相应的光子能量为多少电子伏特？ (2》该端线是氢原子由哪个能级到哪个能级跃迁产生的？ (3》处于第四激发态的大量氯原子，最多可以发射几个线系，共几条语线？ 教学重点：里德堡公式，玻尔假设的内容，量子化条件，频率法则。量子化轨道和量子化的能 级公式，能级图等， 教学难点：量子化条件、量子化轨道和量子化能级公式的导出。 明导学坐解决薰点难点的方法：通过理论与实验的氢原子光罐线系规律作图比较。 四、本授裸单元数学手段与方法： 讲授法。多媒体课件合黑板板书，公式推导以黑板板书为主。 五、本授课单元思考愿、时论愿、作业 思考题：教材透择题17-10,17-11,17-13 作业：《汇编》4,17.23,25 六、本授课单元参考资料（含参考书、文献等。必菱时可列出）力 参考书：1、《大学物理练习题汇编) 2、,张三慧编著。大学基础物理学，清华大学出版社。2003： 3、程守浓江之水编，售通物理学，高等教有出版社，1995： 4.《College Physics》 大学物理课程教案(51) 授课类型理论课 授课时间2节 一、授课题目（敢学章节或主题）： 第17章量子化 17.4康曾领效应 第16章概率波 181德布罗意波 二、本授课单元教学目标或要求： 了解康普镜效应的实验规律以及爱因斯坦光子理论对康普顿效应的解释。了解德布罗意的 物质波假设及其正确性的实验证实，理解实物粒子的波枚二象性。 6

6 例 1 氢原子光谱的巴耳末线系中，有一光谱线的波长为 434 nm，试求： （1）与这一谱线相应的光子能量为多少电子伏特？ （2）该谱线是氢原子由哪个能级到哪个能级跃迁产生的？ （3）处于第四激发态的大量氢原子，最多可以发射几个线系，共几条谱线？ 教学重点：里德堡公式，玻尔假设的内容，量子化条件，频率法则，量子化轨道和量子化的能 级公式，能级图等。 教学难点：量子化条件、量子化轨道和量子化能级公式的导出。 引导学生解决重点难点的方法：通过理论与实验的氢原子光谱线系规律作图比较。 四、本授课单元教学手段与方法： 讲授法。多媒体课件结合黑板板书，公式推导以黑板板书为主。 五、本授课单元思考题、讨论题、作业： 思考题：教材选择题 17-10，17-11，17-13 作业：《汇编》 4，17，23，25 六、本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）： 参考书：1、《大学物理练习题汇编》 2、张三慧编著，大学基础物理学，清华大学出版社，2003； 3、程守洙 江之永编, 普通物理学，高等教育出版社，1995； 4、《College Physics》 大学物理 课程教案（51） 授课类型 理论课 授课时间 2 节 一、授课题目（教学章节或主题）： 第 17 章 量子化 17.4 康普顿效应 第16章 概率波 18.1 德布罗意波 二、本授课单元教学目标或要求： 了解康普顿效应的实验规律以及爱因斯坦光子理论对康普顿效应的解释。了解德布罗意的 物质波假设及其正确性的实验证实，理解实物粒子的波粒二象性