高二物理競賽弗蘭克－赫茲實(shí)驗(yàn)課件

按照玻爾（Bohr）理論，在原子內(nèi)存在一系列分立的能級，如果吸收一定的能量，就會從低能級向高能級躍遷，從而使原子處于激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)的原子回到基態(tài)時，必然伴隨有一定頻率的光子向外輻射。光譜實(shí)驗(yàn)從電磁波發(fā)射或吸收的分立特征，證明了量子態(tài)的存在，而夫蘭克-赫茲（Frank-Hertz）實(shí)驗(yàn)用一定能量的電子去轟擊原子，把原子從低能級激發(fā)到高能級，從而證明了能級的存在。在玻爾理論發(fā)表的第二年，即1914年，夫蘭克和赫茲進(jìn)行了電子轟擊汞原子的實(shí)驗(yàn)，證明了原子內(nèi)部能量的確是量子化的?？墒怯捎谶@套實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，電子的動能難以超過4.9ev，這樣就無法使汞原子激發(fā)到更高的能態(tài)，而只得到汞原子的一個量子態(tài)——4.9ev。1920年，夫蘭克改進(jìn)了原來的實(shí)驗(yàn)裝置，把電子的加速與碰撞分在兩個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，獲得了高能量的電子，從而得到了汞原子內(nèi)一系列的量子態(tài)。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，原子被激發(fā)到不同狀態(tài)時，吸收一定數(shù)值的能量，這些數(shù)值是不連續(xù)的。即原子體系的內(nèi)部能量是量子化的，原子能級確實(shí)存在。1、弗蘭克－赫茲實(shí)驗(yàn)玻爾理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(原子內(nèi)部能量量子化證據(jù))1、（類）氫原子光譜2、弗蘭克－赫茲實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在KG1間的電壓為4.68，4.9，5.29，5.78，6.73伏特等值。其中4.9伏特就是以前測得的第一激發(fā)電勢。在其他測得的激發(fā)電勢中，只有6.73伏特有相應(yīng)的光譜線被觀察到，波長是184.9nm，其余相當(dāng)于原子被激發(fā)到一些狀態(tài)，從那里很難發(fā)生自發(fā)躍遷而發(fā)出輻射，所以光譜中不出現(xiàn)相應(yīng)的譜線。這些狀態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。汞原子能級圖J.Franck(1882-1964)G.Hertz(1887-1975)fortheirdiscoveryofthelawsgoverningtheimpactofanelectronuponanatom

TheNobelPrizeinPhysics1925

電離電勢的測定把電子在電場中加速，如使它與原子碰撞剛好足以使原子電離，則加速時跨過的電勢差稱為電離電勢。赫茲的電離電勢測量儀器如果給予原子足夠大的能量，可以使原子中的電子離去，這叫電離。第一電離電勢是指從中性的原子把一個電子電離出去需要的電壓。圖2.14顯示氖的電離電勢是21伏特。用這方法曾測定多種原子的電離電勢。原子的電離電勢也可以從光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算。例如：由中性原子與其正一價離子的基態(tài)能量差可以得到原子的電離能。例

在氣體放電管中，一束能量為10eV的電子和單原子氣體發(fā)生碰撞，發(fā)射出的輻射波長有：140.2nm,253.6nm和313.2nm.其中253.6nm的光譜較其他兩個成分強(qiáng)。請給出相應(yīng)的能級圖，并給出到達(dá)陽極的電子的能量。解：由波長可算出輻射對應(yīng)的能級間隔對應(yīng)第二激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)對應(yīng)第一激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)對應(yīng)第二激發(fā)態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)到達(dá)陽極的電子能量有下列幾種：1）沒和原子發(fā)生非彈性碰撞的電子，器能量仍為10eV2）和原子發(fā)生非彈性碰撞，使原子激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)，因而電子能量損失4.89eV,所以到達(dá)陽極的電子能量為10-4.89=5.11eV3）和原子發(fā)生非彈性碰撞，使原子激發(fā)到第二激發(fā)態(tài)，電子損失能量8.84eV，到達(dá)陽極的電子能量為：10-8.84=1.16eV能級圖例

氫原子的基態(tài)能量E1=-13.6eV。在氣體放電管中受到12.9eV的電子轟擊，使氫原子激發(fā)，問此放電管中的氫原子從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時一共能產(chǎn)生幾條譜線？其中波長最長的光譜線、最短的光譜線及可見光光譜線的波長各為多少？例1:玻爾量子化可由量子化通則得到對氫原子,電子軌道角動量是守恒量,例2:普朗克能量量子化可由量子化通則得到諧振子坐標(biāo):動量:諧振子能量:得:1916年,德國物理學(xué)家索末菲(A.Sommerfeld)推廣了玻爾量子化條件，考慮了更一般的橢圓軌道運(yùn)動情形和相對論修正——玻爾－索末菲理論1.電子的橢圓軌道運(yùn)動問題的提出：高分辨光譜發(fā)現(xiàn)由三條緊靠的譜線組成。經(jīng)典力學(xué)：電子在庫侖中心力場中沿橢圓軌道運(yùn)動

動量：線動量角動量原子的能量：極坐標(biāo)系：r原子核處于橢圓軌道一個焦點(diǎn)上橢圓軌道的量子化條件：主量子數(shù)徑向量子數(shù)角量子數(shù)根據(jù)角動量守恒，不隨改變半長軸半短軸角量子數(shù)nφ越小離心率越大*軌道形狀與量子數(shù)的關(guān)系