弗蘭克赫茲實驗思考題2詳細講解

經典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網絡整理，如有侵權，請聯系刪除，謝謝！2[詳細講解]弗蘭克赫茲實驗思考題一、解釋伏安特性曲線的奇特性。1(玻爾提出的量子理論指出:?原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱定態(tài))，原子在這些狀態(tài)時，不發(fā)射或吸收能量;各定態(tài)有一定的能量，其數值是彼此分立的，這些能量值稱為能級，最低能級所對應的狀態(tài)稱為基態(tài)，其他高能級所對應的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。原子的能量不論通過什么方式發(fā)生改變，它只能使原子由一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)。?原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的。如果用E和E代表有關兩定態(tài)的能量，輻射的頻率ν確定于普朗克公式:mn(8-1)h,,E,Emn-34式(8-1)中的h為普朗克常數，其值為6.6260×10J?s。為了使原子從低能級向高能級躍遷，可以通過具有一定頻率ν的光子來實現，也可以通過具有一定能量的電子與原子碰撞(非彈性碰撞)進行能量交換的方法來實現。后者為本實驗采用的方法。設初速度為零的電子在電勢差為V的加速電場作用下，獲得eV的能量。在充氬氣的夫蘭克—赫茲管中，具有一定能量的電子將與氬原子發(fā)生碰撞。如果以E代表氬原子的基態(tài)能量，E代表氬原子的01第一激發(fā)態(tài)的能量，當電子與氬原子相碰撞時傳遞給氬原子的能量恰好是eV=E-E(8-2)010則氬原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而相應的電勢差V稱為氬原子的0第一激發(fā)電位。其他元素氣體原子的第一激發(fā)電位也可以按此法測量得到。1914年，夫蘭克和赫茲首次用慢電子轟擊汞蒸氣中汞原子的實驗方法，測定了汞原子的第一激發(fā)電位。觀察微電流計的電流指示。如果原子能級確實存在，而且基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差，就能觀察到如圖8-3所示觸電位差V是正的，它使整個曲線向右平移。如果接觸電位差V是負的，整個CC曲線向左平移。當KG間的電壓達到(V+V)時，電子能量達到e(V+V),E-E,電子20C0e10在柵極G附近與氬原子之間將發(fā)生非彈性碰撞，將自己從加速電場中獲得的能2量交給氬原子，并使氬原子從基態(tài)被激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。而電子本身由于把能量給了氬原子，即使穿過柵極也不能克服反向拒斥電場而被折回柵極，板極電流VI將顯著減小，如圖中ab段。隨著柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，PG2在與氬原子相碰撞后，一部分能量(E-E)交換給氬原子，還留下一部分能量10足夠克服反向拒斥電場而達到板極P，這時板極電流I又開始上升，即曲線中的Pbc段，直到KG間的電壓是(2V+V)時，電子在KG空間會因與氬原子發(fā)生兩20C2次非彈性碰撞而失去2eV的能量，又造成了第二次板極電流的下降，即圖中的0cd段。同理，凡是在=nV+V(8-3)V0CG2式中n是正整數的條件下，板極電流都會相應地下降，形成規(guī)則起伏變化的曲線。而各次板極電流開始下降，即曲線的各峰之間相應的陰極和柵極間電位差()VG2)應該是氬原子的第一激發(fā)電位-(V(對氬原子，公認值為V=11.55V)。Vn+1n00G2由此證實原子確實有不連續(xù)的能級存在。實驗中因為K極發(fā)出的熱電子能量服從麥克斯韋統(tǒng)計分布規(guī)律，因此-IVPG2圖中的板極電流下降不是陡然的。在I極大值附近出現的峰有一定寬度。P二、什么叫第一激發(fā)電位，有沒有第二激發(fā)電位，如果有怎么測,第一激發(fā)電位:如果以E代表某原子的基態(tài)能量，E代表該原子的第一激01發(fā)態(tài)的能量，當電子與該原子相碰撞時傳遞給此原子的能量恰好是eV=E-E010則此原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而相應的電勢差V稱為這個原子的第0一激發(fā)電位。第二激發(fā)電位:從第一激發(fā)態(tài)躍遷到第二激發(fā)態(tài)相應的電勢差就是第二激發(fā)電位。測量第二激發(fā)電位:在弗蘭克赫茲的實驗中，由于加速區(qū)和碰撞區(qū)在一起，那就使得電子的能量難以超過4.9eV，因為一旦電子被加速到4.9eV，就將與汞原子碰撞而失去能量，這樣就無法使汞原子受激到更高的能級，以致只能測得汞原子的第一激發(fā)電勢。三、弗蘭克赫茲實驗的歷史1911年，盧瑟福根據α粒子散射實驗，提出了原子核模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說運用到原子有核模型，建立了與經典理論相違背的兩個重要概念:原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間遷躍時伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差，并滿足普朗克頻率定則。隨著英國物理學家埃萬斯(E.J.Evans)對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨立的實驗方法的驗證。弗蘭克和赫茲最初是依據斯塔克的理論，斯塔克認為線光譜產生的原因是原子或分子的電離，光譜頻率ν與電離電勢有如下的量子關系:ν=。UheU弗蘭克和赫茲在1914年以后有好幾年仍然堅持斯塔克的觀點，他們采用慢電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨立)，簡單而巧妙地直接證實了原子能級的存在，并且實現了對原子的可控激發(fā)，但他們相信自己的實驗無可辯駁地證實了斯塔克的觀點，認為4.9V電勢差引起了汞原子的電離。他們也許因為戰(zhàn)爭期間信息不通，對玻爾的原子理論不甚了解，所以還在論文中表示他們的實驗結果不符合玻爾的理論。其實，玻爾在得知弗蘭克,赫茲的實驗后，早在1915年就指出，弗蘭克,赫茲實驗的4.9V正是他的能級理論中預言的汞原子的第一激發(fā)電勢。1919年，弗蘭克和赫茲表示同意玻爾的觀點。1925年，由于他二人的卓越貢獻，他們獲得了當年的諾貝爾物理學獎(1926年于德國洛丁根補發(fā))。弗蘭克在他的諾貝爾獎領獎詞中講道:“在用電子碰撞方法證明向原子傳遞的能量是量子化的這一科學研究的發(fā)展中，我們所作的一部分工作犯了許多錯誤，走了一些彎路，盡管玻爾理論已為這個領域開辟了筆直的通道。后來我們認識到了玻爾理論的指導意義，一切困難才迎刃而解。我們清楚地知道，我們的工作所以會獲得廣泛的承認，是由于它和普朗克，特別是和玻爾的偉大思想和概念有了聯系?！狈蛱m克-赫茲實驗至今仍是探索原子內部結構的主要手段之一。所以，在近代物理實驗中，仍把它作為傳