2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像.PPT

实验原理 夫兰克—赫兹（F-H）管是一只充有稀薄气体的真空三极管。本实验的目的是测量氩原子的第一激发电位，因此F-H管里充的是氩气。 阴极由灯丝加热后发射的电子在电场中加速，并与气体原子发生碰撞。碰撞过程可以用以下能量守恒方程表示： 实验原理 根据碰撞理论，注意到Mm，碰撞前后原子的动能变化不大，主要是电子的动能和原子内能发生变化。由于原子的能级是不连续的，当电子的动能小于原子的第一激发态能量时，气体原子与电子发生的碰撞属于弹性碰撞，即?E=0。只有当电子的动能大于原子的第一激发态能量时才会发生非弹性碰撞，即电子与气体原子碰撞后，电子相当一部分的动能转换为气体原子的内能?E=E1。E1为气体原子的第一激发态能量。令U0=E1/e，式中e为电子电量，U0称为气体原子的第一激发电位。 实验原理 图中Vf用于加热灯丝。栅极G很靠近于阳极P，K-G之间有较大的空间距离。在阴极K与栅极G之间加可调的加速电压VG2，热电子从阴极出发经过K-G之间的电场逐渐加速并与原子碰撞。电子在电势差为U的电场中获得的动能为eU，当电子的动能大于等于原子的第一激发态的能量即eU≥eU0，这时电子将自身动能的一部分转换为原子的内能，使氩原子由基态跃迁到第一激发态，整个体系的动能因此而损失。这一过程发生的是非弹性碰撞。此后电子在电场的作用下重新加速获得动能，直到电子的动能重新等于原子的第一激发态的能量，将会又一次与气体原子发生非弹性碰撞。 实验原理 在G-P间加一个不太高的减速电压VP，电子穿过栅极G后受到G-P减速电场的作用，只有动能大于eVP的电子才能到达阳极P形成阳极电流Ip。由此，我们可以得到如图所示IP-VG2的曲线。 * * 弗兰克-赫兹实验 弗兰克 G.赫兹 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律. 实 验 目 的 1.本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解弗兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方法； 2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素． 玻尔理论建立的三个物理学基础： 1、以实验为基础的原子的核式结构模型； 2、光谱的实验资料和经验规律； 3、从黑体辐射的事实发展出来的量子论。 在这个基础上，玻尔推究原子内部的情况，在原子物理学上跨进了一大步。 玻尔提出的原子理论有两个基本假设： (1)原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定态”，原子在这些状态时不发射也不吸收能量，各定态的能量是彼此分隔的．原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态； (2)原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能量时，辐射的频率是一定的．如果用 Em 和 En 代表有关二定态的能量，辐射的频率决定于如下关系： hυ = Em - En 式中h为普朗克常量． 在玻尔提出原子结构的量子理论后， 弗兰克(J．Franck)和赫兹(G．Hertz)在1914年在用慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离电位测定时，偶然地发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们获得了1925年的诺贝尔物理奖。 实 验 原 理 1. 实 验 原 理 图 2. 物 理 过 程 3. I-UGK 曲 线 式中是电子质量；M是气体原子质量；v是电子碰撞前的速度；V是气体原子碰撞前的速度；?’是电子碰撞后的速度；V’是气体原子碰撞后的速度；?E为气体原子内能的变化。 该曲线的明显特征是出现一系列的电流峰、谷。谷的出现，表明此时电子与原子发生了非弹性碰撞，大部分电子的动能损失到不足以穿过G-P间的减速电场；峰的出现则表明大量的电子有足够的动能穿越G-P空间，这是电子在电场中重新加速获得动能但又不足以与原子发生非弹性碰撞的结果。可见曲线相邻两峰值或相邻两谷值之间的电压差值等于待测气体的第一激发电位U0，从而直接证明了原子内部能量状态的不连续性。 弗兰克-赫兹实验装置图 IA - UGK 曲 线 （接触电位差和空间电流对IA - UGK 曲线存在影响） b c d a 弗兰克-赫兹管 热阴极K 栅极G 板极A 弗兰克-赫兹管 电压源 热阴极K 第一栅极G1 第二栅极G2 板极A 灯丝电源插孔 热阴极K插孔 *