近代物理实验之原子分子物理ppt课件

1、原子分子物理部分原子分子物理部分理学院工程物理研讨所理学院工程物理研讨所 罗剑峰罗剑峰引言引言 物理学是一门实验科学，物理学上的一些结论、定理、假设和猜测要经过实验来验证，然后根据实验景象再对物理学的结论、定理进展完善和修正，因此是一个实际、认识，再实际再认识的一个循环往复的过程。 下面我们将要学习三个实验，这三个实验在量子力学的建立、开展和完善过程中起着非常重要的作用，在物理学的开展史上起着重要的里程碑作用。 量子概念是1900年普朗克首先提出来的，到今天曾经过去了100多年。其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、波恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多巨匠的创新努力，到20世纪30年代，就曾经建立

2、成了一套完好的量子力学实际。这一实际是关于微观世界的实际，和相对论一同构成了现代物理学的根底。这三个实验是：引言引言实验1 塞曼效应实验2 电子自旋共振实验3 夫兰克-赫兹实验 让我们重温先辈科学家们的实验历程，学习他们追求真理、勇于创新、勇于拼搏、勇于攀爬科学顶峰的精神，学习他们在研讨过程中所表现出来的严肃仔细和实事求是的优良任务作风！引言引言实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 证明了原子具有磁矩和磁矩在外磁场中的空间取向是量子化的，1902年获得诺贝尔物理学奖。1.1 实验目的实验目的 1. 了解塞曼效应实验在近代物理学开展了解塞曼效应实验在近代物理学开展历史上的重要位置。历史上的重要位

3、置。 2. 经过察看汞经过察看汞(Hg)原子原子546.1nm光谱线在光谱线在外磁场作用下的塞曼分裂景象，了解量子力外磁场作用下的塞曼分裂景象，了解量子力学中关于磁致能级分裂的实际。学中关于磁致能级分裂的实际。 3. 了解用法布里了解用法布里-珀罗规范具丈量微小波珀罗规范具丈量微小波长差的方法，并丈量电子的荷质比。长差的方法，并丈量电子的荷质比。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验1.2 塞曼效应塞曼效应 1896年塞曼发现将光源置于足够强年塞曼发现将光源置于足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂成几的磁场中时，原来的一条谱线分裂成几条谱线，分裂的谱线是偏振的

4、，分裂成条谱线，分裂的谱线是偏振的，分裂成的条数随跃迁前后能级的类别而不同，的条数随跃迁前后能级的类别而不同，后人称此景象为塞曼效应。后人称此景象为塞曼效应。1塞曼与洛仑兹。塞曼与洛仑兹。21892年塞曼开场研讨克尔景象，年塞曼开场研讨克尔景象，1896年发现塞年发现塞 曼效应。曼效应。3塞曼运用塞曼运用“电子论对塞曼效应电子论对塞曼效应的解释。的解释。4 洛仑兹的预言及电子荷质比的丈洛仑兹的预言及电子荷质比的丈量。量。5反常塞曼效应的发现及电子自旋反常塞曼效应的发现及电子自旋概念的引入。概念的引入。 1.3 正常塞曼效应和反常塞曼效应正常塞曼效应和反常塞曼效应 历史上把塞曼发现的可以用洛伦兹

5、的历史上把塞曼发现的可以用洛伦兹的“电子论解释、各相邻谱线的间隔按波电子论解释、各相邻谱线的间隔按波数差计算为一个洛仑兹单位的那三条谱线数差计算为一个洛仑兹单位的那三条谱线称之为正常塞曼效应。称之为正常塞曼效应。 而把后来发现的那些多于三条、谱线而把后来发现的那些多于三条、谱线间隔也不尽一样、不能用洛仑兹的电子论间隔也不尽一样、不能用洛仑兹的电子论解释的谱线称之为反常塞曼效应。引入电解释的谱线称之为反常塞曼效应。引入电子自旋才干解释反常塞曼效应。子自旋才干解释反常塞曼效应。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 实践上反常塞曼效应才是常见景象，而正常塞曼效应才

6、是稀有景象。人们发现，只需当原子的电子数为偶数，而各电子的自旋恰好相互抵消，总自旋和总自旋磁矩均为0，才会有正常塞曼效应产生。1.4 实验原理实验原理 1.光源处于外磁场中导致光谱线发光源处于外磁场中导致光谱线发生分裂生分裂 原子中电子的运动导致原子具有磁原子中电子的运动导致原子具有磁矩，原子磁矩与外磁场的作用引起原子矩，原子磁矩与外磁场的作用引起原子能级的变化：能级的变化：E=mgBB 1-1式中式中m为磁量子数，只能取有限个分立为磁量子数，只能取有限个分立值值(m=J,J-1,-J)，B=eh/(4 me)=9.27410-24 JT-1，称为玻尔磁子，称为玻尔磁子，g是朗德因子。是朗德因

7、子。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 设有一频率为 的光谱线，是由能级E2和E1之间的跃迁所产生，即：h = E2 - E1 。在磁场中上、下能级分裂后所产生的新谱线的频率 与能级的关系为：1-3 因此分裂后的谱线与原谱线的频率差为：实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验BgmgmhEEEEEEEEhB)()()()()(112212121122eBmeh4221 1()BBm gm gh (1-4)emeBgmgm4)(11221c 式(1-4) 两边同除以c，可表示成波数差的方式： 式中： 称为洛仑兹单位，B的单位为T特斯拉。 由式(1-5)和(1-6)可以求得电子的荷质比： 1-614

8、6.74eeBLBmm c2211()m gm g L22114()eecmm gm g B 1-5 1-7实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 本实验研讨汞546.1nm谱线的塞曼分裂，该谱线是能级6s7s3S16s6s3P2跃迁的结果。图1-1 汞546.1nm谱线的塞曼分裂 塞曼跃迁的选择定那么是：m = m2-m1 = 0，1。由图1-1可以看出，汞546.1nm谱线在磁场中分裂成9条谱线，其中对应 m2g2 - m1g1 = 0 的谱线与原谱线一样，各相邻的分裂谱线波数差是L/2。从左往右分裂后各谱线的波长是逐渐减小的。 实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验1 2 3 4 5 6 7

9、 8 9 当m=0时，产生3条线。沿垂直于磁场方向观测，线为振动方向平行于磁场的线偏振光；沿平行磁场方向观测不到线。 当m=1时，产生6条线。沿垂直于磁场方向观测，线为振动方向垂直于磁场的线偏振光；沿平行磁场方向观测，线为圆偏振光。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验图1-2 塞曼效应中光的偏振态 2.用法布里用法布里-珀罗规范具察看到的实验景象珀罗规范具察看到的实验景象 我们做实验时汞的我们做实验时汞的=546.1nm谱线分裂的波长谱线分裂的波长差约为差约为=0.01nm，要察看和丈量这样小的波长差，要察看和丈量这样小的波长差普通的光谱仪普通的光谱仪如：棱镜光谱仪、光栅光谱仪如：棱镜光谱仪、

10、光栅光谱仪是是不能胜任的，必需采用分辨身手高的光谱仪，如法不能胜任的，必需采用分辨身手高的光谱仪，如法布里布里-珀罗规范具、迈克尔逊阶梯光栅等，本实验采珀罗规范具、迈克尔逊阶梯光栅等，本实验采用法布里用法布里-珀罗珀罗(F-P)规范具来进展察看和丈量。规范具来进展察看和丈量。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 法布里-珀罗规范具由两块平行的玻璃板及中间夹着的一个间隔圈组成。平面玻璃板内外表的加工精度要求高于1/20波长。内外表镀有高反膜，膜的反射率高于90%，间隔圈用膨胀系数很小的熔融石英资料精加工成一定厚度，用来保证两块玻璃内外表之间准确的平行和稳定的间距。 当单色平行光束S以小角度入射时

11、，经过M平面及M平面的多次反射和透射，分别构成一系列相互平行的反射光束1、2、3、4及透射光束1、2、3、4。相邻两束透射光束的光程差为： 1-8实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验cos2 d 图1-3 F-P规范具光路图d12341234SMM实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 这一系列相互平行并有一定光程差的光束在无穷远处或会聚透镜的焦平面上发生干涉。当光程差为波长的整数倍时，产生干涉极大值，即： 由式(1-9)可得以下结论： (a) 在波长不变的情况下，同一干涉级次k对应着一样的入射角，构成一个亮堂的圆环。 (c) 干涉条纹是由内向外级次逐渐降低的同心圆环。 (b) 中心亮环的 =0

12、，此时cos =1，故中心亮环的干涉级次最高，为(1-10)max2kd2 cosdk(k为整数) (1-9)图1-4 实验安装光路图 A面扩展光源df1f2L1L2F-POOAD2f2L实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 进一步还可以推导得到以下公式：(1-11)22218dDfk 图2-4 入射角与干涉圆环直径关系 (a) 随着圆环直径的增大，条纹越来越密。 (b) 对于一样的干涉级次k，直径大的干涉圆环对应的入射光波长小。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 1 未加偏振片在垂直于磁场方向察看的实验安装图实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 未加磁场时的干涉圆环：加磁场后在垂直于磁场方

13、向的干涉圆环：13S23P0B Hg546.1nm0B 1m 12m10210121m01所察看到的实验景象：实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 2 加偏振片后在垂直于磁场方向察看的实验安装图实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验(1)转动偏振片到某个角度三条线出现，线消逝：13S23P0B Hg546.1nm0B 1m 11m10210122m01(2)再转过90度线消逝，六条线出现：所察看到的实验景象：实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 3 在平行于磁场方向察看的实验安装图实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验线是禁戒跃迁的，因此只能看到6条线。13S23P0B Hg546.1nm0B 1

14、m 11m10210122m01用1/4波片和偏振片可以证明6条线为圆偏振光。1/4波片将圆偏光变为线偏光，并且两线偏光的偏振方向是相互垂直的。因此，当偏振片转到某个角度时，-线消，只出现3条+线：再转过90度，3条-出现，+线消逝：所察看到的实验景象：实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验 由式(1-11)经过一定的变换，最终可以求得对于同一级次k内的两条谱线a和b的波数差为：(1-12)22,22(1),12bakkbakkDDdDD222218dDfk 2.用法布里用法布里-珀罗规范具丈量波数差珀罗规范具丈量波数差 将式(1-12)代入到式(1-7)中，得：Bgmgmcmee)(41122

15、实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验未加磁场时的干涉圆环加磁场后的干涉圆环加磁场后的干涉圆环13S23P0B Hg546.1nm0B 1m 0142eecmBd12m10222m g20210121m33 203 2311m g2,akD2,bkD22(1),kkDD2222,1 ,4kkDDfd221 1()m gm g化简后最终得丈量电子荷质比的公式：实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验22,22221 1(1),2()bakkekkDDecmm gm g BdDD (1-13)实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验1.5 实验仪器引见实验仪器引见1.电磁铁：用来产生磁场2.发光体：低压汞灯

16、，用滤光片选取546.1nm谱线3.四分之一波片：从平行于磁场方向察看时运用4.偏振片：用于区分成分与+、-成分5.聚光镜：将发光体发出的光线会聚到F-P规范具6.干涉滤光片：安装在F-P规范具内入射端镜面前7.法布里-珀罗(F-P)规范具： d = 1.76 mm8.读数望远镜：包含成像(会聚)透镜，分划板(十字 叉丝)及螺旋测微安装，接目镜1.6 实验内容和要求实验内容和要求 掌握实验原理和方法，从垂直于磁掌握实验原理和方法，从垂直于磁场和平行于磁场两个方向察看汞的场和平行于磁场两个方向察看汞的546.1nm谱线的塞曼分裂景象，再从垂直谱线的塞曼分裂景象，再从垂直于磁场方向丈量分裂谱线的波

17、数差并计于磁场方向丈量分裂谱线的波数差并计算电子的荷质比。算电子的荷质比。实验实验1 塞曼效应实验塞曼效应实验提示：(1) d = 1.76 mm (2) = 546.1 nm实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 证明了电子具有自旋磁矩和自旋磁矩在外磁场中的空间取向量子化，可获得有关物质微观构造的信息。2.1 实验目的实验目的 1. 了解了解“电子自旋的概念及电子自旋的概念及“电子自电子自旋共振实验方法在现代科学技术中的广泛旋共振实验方法在现代科学技术中的广泛运用。运用。 2. 掌握用掌握用“扫场法察看共振跃迁景象扫场法察看共振跃迁景象的实验设计思想。的实验设计思想。 3. 丈量丈量DPPH中

18、未偶电子的中未偶电子的g因子。因子。实验实验2 电子自旋共振实验电子自旋共振实验实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振2.2 电子自旋共振概念及在现代科技中的运用电子自旋共振概念及在现代科技中的运用 具有未偶电子的凝聚态具有未偶电子的凝聚态(液、固态液、固态)物质所产物质所产生的自旋磁矩与外磁场的相互作用，导致原子的生的自旋磁矩与外磁场的相互作用，导致原子的基态能级分裂成两个塞曼能级，这时假设有一束基态能级分裂成两个塞曼能级，这时假设有一束微波垂直于磁场方向入射在凝聚态物质上，凝聚微波垂直于磁场方向入射在凝聚态物质上，凝聚态物质的原子就有能够吸收微波光子的能量，从态物质的原子就有能够吸收微波光子

19、的能量，从能量较低的塞曼能级跃迁到能量较高的塞曼能级，能量较低的塞曼能级跃迁到能量较高的塞曼能级，这种景象被称为电子自旋共振。这种景象被称为电子自旋共振。 运用该方法可以探测物质中的未偶电子，研运用该方法可以探测物质中的未偶电子，研讨其与环境的相互作用，从而获得有关物质微观讨其与环境的相互作用，从而获得有关物质微观构造的信息。构造的信息。实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 该方法具有灵敏度和分辨率较高，能深化物质内部进展细致分析而不破坏样品以及对化学反响无干扰等优点，因此在物理、化学、生物学、医学等领域得到广泛运用。例如，生物体内含有微量的自在基和过度金属离子，绿色植物的光协作用、肿瘤致癌、

20、生命衰老等过程都跟自在基有关，电子自旋共振技术更是在分子程度及细胞程度上研讨生物问题不可短少的工具。 电子自旋的概念是泡利(Pauli)在1924年首先提出来的，但是电子自旋共振景象直到1944年才由苏联喀山大学的扎沃伊斯基(E.K.abouchu)在实验中察看到。2.3 具有未偶电子的凝聚态具有未偶电子的凝聚态(液、固态液、固态)物质可以物质可以察看到电子自旋共振景象察看到电子自旋共振景象 只发生在固有磁矩不为只发生在固有磁矩不为0的顺磁资料中。具的顺磁资料中。具有未偶电子的凝聚态物质的固有磁矩不为有未偶电子的凝聚态物质的固有磁矩不为0，且，且该磁矩是由未偶电子的自旋运动产生的。缘由如该磁矩

21、是由未偶电子的自旋运动产生的。缘由如下：下： 对于凝聚态物质而言，原子受外部电荷的作对于凝聚态物质而言，原子受外部电荷的作用使电子轨道平面发生进动，其轨道角动量量子用使电子轨道平面发生进动，其轨道角动量量子数数L的平均值为零。因此，凝聚态物质的磁矩主的平均值为零。因此，凝聚态物质的磁矩主要是电子自旋磁矩的奉献。要是电子自旋磁矩的奉献。实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 又根据Pauli不相容原理，一个分子轨道最多只能包容两个自旋相反的电子。假设分子轨道都被电子两两成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没有固有磁矩，呈现抗磁性。通常大多数化合物就属于这种情况，不是电子自旋共振的研讨对象。仅当

22、分子轨道中只需一个电子时这样的分子轨道能够不只一个电子自旋磁矩不被抵消，原子才呈现磁性，正是这种未偶(未成对)电子向我们提供了电子自旋共振信息。实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振2.4 怎样了解电子的自旋运动怎样了解电子的自旋运动 怎样了解电子的自旋运动？怎样了解电子的自旋运动？1925年两位年轻年两位年轻的荷兰学生，乌伦贝克和高德斯密提出：电子不的荷兰学生，乌伦贝克和高德斯密提出：电子不是一个质点，它存在一种是一个质点，它存在一种“内秉的运动内秉的运动自自旋。自旋假设可以解释实验景象，但很难用经典旋。自旋假设可以解释实验景象，但很难用经典模型来描画这种运动。不能简单了解为像陀螺一模型来描画

23、这种运动。不能简单了解为像陀螺一样绕本身轴转动，假设这样立刻就能发现电子外样绕本身轴转动，假设这样立刻就能发现电子外表上的物质的线速度将大于光速，这当然是荒唐表上的物质的线速度将大于光速，这当然是荒唐的，称为的，称为“内秉的运动更好些。内秉的运动更好些。实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 恒定磁场 中，总角动量 和对应的磁矩 的空间取向是量子化的， 与 的相互作用导致能级简并度的解除，产生塞曼分裂：JPJBBJJBEBmgB (2-1)式中m为磁量子数：m=J，J-1，-J (2-2)J为总角动量量子数。这2J+1个等距子能级间的跃迁服2.5 实验原理实验

24、原理实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振偶极跃迁选择定那么：m=1。 (2-3) 对于凝聚态物质固态和液态，实际和实际都证明轨道角动量产生了猝灭 ，轨道角动量量子数L的平均值为0，故：J=S，S为自旋角动量量子数，且：S=1/2，因此：J=1/2。磁量子数m只能取(2J+1=2)两个值：m=1/2， (2-4)因此能级只分裂为两个，其能量分别为： 实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振这两个能级的能量差：21BEEEgB (2-6)22BEgB12BEgB ， (2-5)图2-1 外磁场中自旋磁矩导致能级分裂表示图E = 0E2E1BE012m 12m =E此时假设有一个频率为的电磁波作用于电子

25、，且满足：h = E (2-7)的共振条件，原来处于下能级的电子就有能够吸收电磁波的能量跃迁到上能级。这种景象就被称为电子自旋共振。h图2-1 外磁场中自旋磁矩导致能级分裂表示图E = 0E2E1BE012m 12m =Eh实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 E很小，共振跃迁所吸收或发射的能量落在微波频段。根据爱因斯坦的辐射实际，两能级之间量子跃迁有受激吸收、受激辐射和自发辐射(概率小可以忽略)。只思索受激吸收和受激辐射，且两者的跃迁概率相等。 图2-1 外磁场中自旋磁矩导致能级分裂表示图E = 0E2E1BE012m 12m =Eh实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 在热平衡形状下各能级

26、的粒子数服从玻尔兹曼分布：21exp1NEENkTkT (2-8)通常 约为10-6数量级，故低能态E1的粒子数N1稍大于高能态E2的粒子数N2，故总的效果是共振吸收。EkT实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 随着过程的进展，高、低能级的粒子数分布趋于均等N2=N1(平衡态被破坏)，这时系统不再从辐射场中吸收能量，这一景象称为共振饱和。采用在稳恒磁场上叠加一个按正弦规律变化的扫场，可以抑制共振饱和景象。 此外，在粒子系统中还存在第三个过程，在这个过程中，粒子从高能级跃迁到低能级释放的能量不是以微波光子的方式发射，而是经过粒子间的自旋-自旋相互作用和自旋-晶格相互作用进展，能量最后转变成热能。

27、图2-1 外磁场中自旋磁矩导致能级分裂表示图E = 0E2E1BE012m 12m =Eh实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振2.6 规范样品规范样品DPPH的分子构造的分子构造 本实验的样品为本实验的样品为DPPH，化学称号是二苯基，化学称号是二苯基苦酸基联氨，其分子式为：苦酸基联氨，其分子式为：(C6H5)2N-NC6H2(NO2)3，如图，如图3-2所示。其第所示。其第2个个N原子原子少了一个共价键，有一个未偶电少了一个共价键，有一个未偶电 图2-2 DPPH分子构造图子，是一个稳定的自在基，它在磁场中分裂成两个塞曼能级。本实验要求丈量其g值。BhgB2.7 朗德因子的物理意义朗德因子的

28、物理意义) 1(2) 1() 1() 1(1JJSSLLJJg(2-6)实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振在上式中： 按照量子实际，对于LS耦合，朗德因子(针对自在原子与离子)： 1假设原子的磁矩完全由电子自旋磁矩奉献，此时：L=0、J=S，那么：g=2。 2假设磁矩完全由电子的轨道磁矩所奉献，此时：S=0、J=L，那么：g=1。3假设自旋和轨道磁矩两者都有奉献，那么假设自旋和轨道磁矩两者都有奉献，那么g的值介的值介乎乎1与与2之间。之间。 因此准确测定因此准确测定g的值便可判别电子运动的影的值便可判别电子运动的影响，从而有助于了解原子的构造。响，从而有助于了解原子的构造。自在电子的自在电子

29、的g值：值： 自在电子的轨道角动量完全猝灭，自在电子的轨道角动量完全猝灭，1986年的国际年的国际引荐值为：引荐值为：ge=2.002319304386(20)。 实验准确测得的实验准确测得的ge值微大于值微大于2的缘由涉及电子的的缘由涉及电子的反常磁矩，这是由于电子还要遭到本身所产生的电磁反常磁矩，这是由于电子还要遭到本身所产生的电磁场的作用，这种作用称为自能。对自能的计算要用到场的作用，这种作用称为自能。对自能的计算要用到量子电动力学实际。量子电动力学实际。实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振凝聚态物质的凝聚态物质的g因子：因子： 凝聚态凝聚态固、液相固、液相顺磁物质中，被研讨的原子顺磁物

30、质中，被研讨的原子处于固体晶格或大分子中，处于固体晶格或大分子中，g因子的实际处置较为复杂，因子的实际处置较为复杂，朗德公式不再适用。朗德公式不再适用。 这里的这里的g因子因子波谱劈裂因子波谱劈裂因子与朗德因子既有联与朗德因子既有联络又有区别，它们都和电子自旋磁矩与轨道磁矩的相络又有区别，它们都和电子自旋磁矩与轨道磁矩的相对奉献有关；但朗德因子仅对自在原子或离子而言，对奉献有关；但朗德因子仅对自在原子或离子而言，g因子那么还和顺磁资料中原子周围的环境有关。因子那么还和顺磁资料中原子周围的环境有关。实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振2.8 微波电子自旋共振实验原理方框图微波电子自旋共振实验原理

31、方框图图图2-3实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振2.9 样品谐振腔的调谐与微波磁场分布样品谐振腔的调谐与微波磁场分布图2-4 TE104模的电磁场构造 2.10 电子自旋共振与塞曼效应的区别电子自旋共振与塞曼效应的区别 实验实验2 电子自旋共振电子自旋共振 电子自旋共振研讨的同一电子形状(基态)的不同塞曼能级本身之间的跃迁，这种跃迁只发生在相邻的塞曼能级之间。而塞曼效应那么研讨的是不同电子形状的能级间的跃迁，图2-11阐明了这一区别。E2E1EBMJ3 21 21 23 23 21 21 21 2塞曼效应电子自旋共振图2-11 塞曼效应与电子自旋共振0 实验实验3 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫

32、兹实验 证明了原子具有分立的能级，1925年获得诺贝尔物理学奖。3.1 实验目的实验目的 1. 了解夫兰克了解夫兰克-赫兹实验在近代物理学开赫兹实验在近代物理学开展历史上的重要位置。展历史上的重要位置。 2. 经过对夫兰克经过对夫兰克-赫兹管赫兹管IP VG2曲线的曲线的丈量，证明原子存在分立的能级，加深对玻丈量，证明原子存在分立的能级，加深对玻尔原子构造实际的了解尔原子构造实际的了解 。 3. 丈量氩丈量氩(Ar)原子的第一激发电位。原子的第一激发电位。实验实验3 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验3.2 玻尔的原子实际玻尔的原子实际 1900年普朗克在研讨黑体辐射公式时提年普朗克在研讨黑体辐射

33、公式时提出了量子的概念。出了量子的概念。 1910年，卢瑟福提出了原子的年，卢瑟福提出了原子的“核模核模型：原子的中央有一个很小的实心核，电子型：原子的中央有一个很小的实心核，电子围绕核运动。围绕核运动。实验实验3 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验实验实验3 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1913年玻尔将卢瑟福的原子有核模型和普朗克的量子实际结合起来，提出了玻尔的“原子实际： 一个重要的物理规律，都必需得到至少两种彼此独立的实验方法的验证，才干被宽广科学界所接受。但是玻尔提出的这个“原子实际还没有得到实验的证明，第一个证明这个实际正确性的实验，就是1914年的夫兰克-赫兹实验。 原子只能较长地

34、停留在一些稳定态，简称定态，其中每一形状对应一定的能量，其数值是彼此分立的。当原子在能级进展跃迁时要吸收或辐射一定频率的光子。用公式表示：h =E2-E1实验实验3 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验3.3 实验原理实验原理 假设初速为假设初速为0的电子在电位差的电子在电位差Vg的作用下的作用下获得速度获得速度vg，假设此时电子与原子碰撞时将，假设此时电子与原子碰撞时将原子从基态原子从基态E0激发到第一激发态激发到第一激发态E1，那么有：，那么有： (1)式中式中Vg称为第一激发电位，与第一激发电位称为第一激发电位，与第一激发电位相对应电子所具有的能量叫第一激发能。相对应电子所具有的能量叫第一激发

35、能。10122gegeV =m v = EE 当加速电压VVg时，电子与原子发生非弹性碰撞，电子的动能转化为原子的内能，使原子激发到更高的能态。实验实验3 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验3.4 早期的夫兰克早期的夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1914年夫兰克和赫兹在研讨气体放电景象中年夫兰克和赫兹在研讨气体放电景象中用电子碰撞原子的方法，在充汞的放电管中，发用电子碰撞原子的方法，在充汞的放电管中，发现透过汞蒸汽的电子流随电子能量的添加呈现有现透过汞蒸汽的电子流随电子能量的添加呈现有规律的周期性变化，周期性变化的能量间隔为规律的周期性变化，周期性变化的能量间隔为4.9eV。这就是著名的夫兰克。这就是著名的夫兰克-赫兹实验。赫兹实验。 同一年，运用石英制造的充汞管，拍摄到与同一年，运用石英制造的