原子的构成练习题

原子物理课程论文 浅谈弗兰克赫兹实验姓名： 晏 敏 学号： 班级： 2008级物理学一班 专业： 物理学（师范） 浅谈弗兰克赫兹实验摘要：弗兰克（J.Frank）和赫兹（G.Hertz）用慢电子轰击稀薄气体原子，采用光谱研究相独立的方法。使汞原子从低能级激发到高能级，通过测量发现电子和原子碰撞时交换的能量是一确定的值。这个实验直接证明了原子能级的存在，同时也证明了原子发生能级跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的不连续的。及对弗兰克赫兹实验和改进弗兰克赫兹实验的比较，谈谈从弗兰克赫兹实验中的启发。关键字：正文：图2弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G1AIUG2KUG1KUG2A微电流仪灯丝电压一、 实验原理：根据玻尔的原子理论：原子只能长久地停留在一些稳定的状态，称为“定态”，原子在这些状态时具有分立的、确定的能量值；当原子从一个定态跃迁至另一定态时，原子吸收或放射的能量值也是分立的。夫兰克一赫兹实验采用具有一定能量的电子与原子碰撞的形式给原子传递能量，实现原子从基态到高能态得跃迁，证明了玻尔理论的正确性。碰撞过程可以用以下能量守恒方程表示： 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；n是电子碰撞后的速度；V是气体原子碰撞后的速度；DE为气体原子内能的变化。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DE=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DE=E1。E1为气体原子的第一激发态能量。令Uo=E1/e，式中e为电子电量，Uo称为气体原子的第一激发电位。图：弗兰克-赫兹实验I曲线a b c I (nA)O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7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eUeU0，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。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。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。二、弗兰克赫兹实验与改进弗兰克赫兹实验比较： （图：改进弗兰克赫兹实验） （图：弗兰克赫兹实验）其改进在于三个方面：1、 在原来的阴极K前加上一极板，以达到旁热式加热，其目的是使电子均匀发射，从而把电子的能量测得更准。2、 在靠近阴极K处加了一个栅极G1并让管内的气体更稀薄以使KG1间距小于电子在汞蒸气中的平均自由程，目的是建立一个无碰撞的加速区，使电子在这个区域内只加速无碰撞。3、 使G1与靠近A极的G2这两个栅极处于同一电位，即建立一个等势区为碰撞区，电子在这个区域内之碰撞不加速。 在改进后，避免了电子又加速又碰撞所引起的实验误差和无法解释的想象。这样将加速和碰撞分开，可使电子在加速区内获得相当高的能量，使汞原子受激到更高的能态。三、启发：在进行弗兰克赫兹实验证明内部能量状态的不连续性之前，波尔得到假设是：“原子内部存在稳定的量子态，电子在量子态间跃迁是伴随着电磁波的吸收和发射”。在光谱实验中，从电磁波发射和吸收可以证明量子态的存在。弗兰克和赫兹受此启发，猜想如果原子处于一些分立的能态上（量子态），那么电子激发原子的试验中就只有某种能量的电子才能引起原子的激发。 根据他们的猜想，而设计的电子在真空管中撞击汞原子的实验，证明了量子态的存在。再后来不点的改进中，可将实验做得更加完善。因此，从课本的角度，无论从知识层面还是探究思维启发上，都表现的很突出。从个人的角度，弗兰克赫兹实验告诉我们在借鉴前人的试验方法和结论时，从中构思出自己的方法需要不断实践与检验，坚持不懈的研究和思考。参考文献：1杨福家. 原子物理学.M. 北京: 高等教育出版社，2008.44.2 弗兰克赫兹实验灯丝电压、拒斥电压等因素对H-F实验