夫兰克赫兹实验-3

夫兰克赫兹实验提出原子的能量是量子化分布的。

1914年,德国物理学家夫兰克和赫兹用慢电子轰击淡薄气体的原子,讨论碰撞前后电子能量的转变状况,以间接了解原子能量的变化,在对结果的分析中,发觉了原子量子化汲取电子的能量,并观看到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线,验证了原子能级的存在。

夫兰克—赫兹试验是物理学进展史上起过重要作用的试验。

它的重要意义在于首次用试验揭示了原子内部能量的量子化,供应了测量原子激发能和电离能的方法,为玻尔的原子理论奠定了坚实的试验基础,夫兰克和赫兹二人因此而同获1925年诺贝尔物理学奖。

[试验目的],测量***原子第一激发电位;。

[试验原理],首先应使原子的状态发生转变。

原子状态的转变通常在两种状况下发生,一是当原子本身汲取或放射电磁辐射时,二是当原子与其它粒子发生碰撞而交换能量时。

能够变更原子所处状态最简便的方法是使用电子轰击原子,电子的动能可以用转变加速电压的方法加以调整。

处于基态的原子发生状态转变时,其所需要的能量不能少于该原子从基态跃迁到第一激发态时所需的能量,此能量称为临界能量。

当电子与原子碰撞时,若电子能量小于临界能量,则发生弹性碰撞,电子几乎不损失能量。

若电子能量大于临界能量,则可能发生非弹性碰撞,电子赐予原子跃迁到第一激发态所需要的能量,其余的能量仍由电子保留。

若电子能量足够大,则可以把原子激发到更高的激发态。

处于激发态的原子不稳定,可能向低能级跃迁,并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量——放射光子。

-试验管的结构及原理进行-试验通常使用的是充***的-试验管,这是由于***是单原子分子,能级较为11简洁,其第一激发能较低,因此只需几十伏的电压就能观看到多个峰值。

***常温下是液体,饱和蒸气压很低,加热就可以转变它的饱和蒸气压。

此外,***的原子量较大,当电子与其发生弹性碰撞时几乎不损失能量。

除***之外,还可采纳其他惰性气体如氩、氖等,这些惰性气体管的气压随温度的变化不大,因此在常温下就可以进行试验。

21221图1-试验管原理图图1为-试验管原理图,管中充有淡薄的***气体原子,为灯丝,为阴极,为控1制栅极,为其次栅极,为板极。

为灯丝加热电压,用来加热灯丝,从而使旁热式阴极2受热放射电子。

为正向栅控电压,其作用是消退空间电荷造成的电场对阴极放射1电子的影响。

为加速电压,从阴极放射的电子受到之间的电场作用,获得能量22向其次栅极加速运动,之间的空间又是电子与原子相互碰撞的主要区域。

为反222向电压,其作用是使那些动能小于||的电子不能到达板极。

试验中依据板极电流的2大小,就可以确定到达板极电子数的多少。

加速电压刚开头增加时,电子不能克服反向电场而到达板极,这时板极电流为零。

随着加速电压的增加,电子的动能不断增大,电子能够克服反向电场而到达板极,板极电流也随之增加。

当加速电压等于或稍大于***原子的第一激发电位,这时在栅极四周,1电子的动能等于或稍大于***原子的第一激发能,电子就在这个区域与***原子可能发生非弹性碰撞,把几乎全部动能传给***原子,使***原子激发。

这些电子由于损失能量,不能123克服反向电场而到达板极,所以这时板极电图2***原子的试验曲线流开头下降,形成第一个峰值。

连续增加加速电压,在距栅极某距离处,电子就已经和***原子发生了非弹性碰撞,电子的剩余能量能够克服反向电场而到达板极,所以电流又开头增长。

明显,加速电压越大,电子与原子发生第一次非弹性碰撞的地方离栅极越远。

当=2时,第一次非弹性碰撞就在1和之间一半路程的地方发生,而在剩下的一半路程中,电子重新获得使原子跃迁到第212一激发态所必需的能量,在栅极四周发生其次次非弹性碰撞,使它失去动能而不能到达板极,电流再度下降,形成其次个峰值。

同理,当=3时,形成第三个峰值。

图2给出的是***1原子的试验曲线,本试验的任务就是测出这条曲线,并由此定出***原子的第一激发电位。

由试验曲线可以看出,其极值呈现明显的周期性变化,它是原子量子化汲取电子能量的结果,也是原子能量不连续分布的体现。

电流极大值所对应的电压应是第一激发电势,的1整数倍。

考虑到热电子有肯定初速度,而且各极间因材料不同而有肯定的接触电势差等缘由,整个曲线发生平移,使各极大值处的电压转变,但各相邻极值间的电位差不变,所以相0邻两个极大值或微小值处对应的电位差就是第一激发电势,,即1=+=1,2,…10试验中板极电流并不是突然下降,在极大值四周消失的“峰”总会有肯定的宽度,这主要是由于从阴极发出的电子的能量听从肯定的统计分布规律。

而板极电流并没有降到零,这主要是由于电子与原子的碰撞有肯定的几率的原因。

试验中-试验管需要放在加热炉内,并维持适当的温度,这个温度对电子与原子的碰撞过程有着关键性的影响。

由于管内有足够量的液态***,在使用温度范围内总有一些液态***存在,所以管内的***蒸气总是处于饱和状态。

当温度转变时,炉内***的饱和蒸气压发生变化,也就是***蒸气的密度发生转变,从而导致电子与***原子碰撞的平均自由程的变化。

温度较高时,平均自由程短,电子在两次碰撞之间得到的能量较小,激发原子较高能级的机会也较小。

相反,温度低时,平均自由程大,电子在两次碰撞之间就有较大的机会获得足够的能量去激发原子的高能级,甚至使原子电离。

假如采纳适当的管子和线路,在较低的温度下就有可能进行高能级激发电位或电离电位的测定。

3.***原子的能级***原子的最外层有两个价电子,里面五个壳层的电子形成总角1动量等于零的闭合壳层。

所以***原子的状态就由最外层两个价电子661的状态打算。

其状态由,和三个量子数来描述。

在基态,两个价电子都处于6态,当***原子被激发时,经常消失的状况是:一个3电子始终处于6,另一个可以受激发而处于较高能级。

660,1,211基态66单重态013332第一激发态66单重态,66,66,661012三重态。

***原子的能级如图3所示。

当***原子与电子发生碰撞而交换能333量时,***原子有可能从基态分别跃迁到66,66,66012这三个能级上留意,原子由于碰撞而发生跃迁时不受选择定则限1660制,但原子要从激发态向回辐射跃迁时,则要受选择定则的限制。

313133图3***原子的能级和都是被禁止的,所以和是亚稳态能级,002023313而是一个禁戒跃迁,处在态的原子将会很快以辐射跃101133迁的方式回到基态,试验中测得的***原子第一激发电位是态的激发电位。

1[试验装置]仪器主要包括-试验管、控温加热炉、低压直流电源、扫描电源、微电流测量放大器、计录仪、计算机接口及软件等。

:加热充***管,一般掌握在150~180范围内。

:有三路输出,分别供应灯丝加热电压、栅控电压及反向电压。

:供应加速电压,可以手动调整也可以自动扫描。

:放大板极电流,转化为电压信号输出。

:实时观看及记录试验曲线。

[试验内容]并熟识仪器的基础上,连接整个试验的线路,最终与老师一起确定。

打开各仪器电源开关,预热一段时间。

01为了维持适当的***蒸汽浓度,温度应掌握在160~180左右。

2~2,反向电压为0~,掌握栅极电压0~2。

-83微电流测试仪用10档测量。

,以便获得一个变化较为显著的~曲线,并记录试验数据。

~曲线,与上一步试验结果相比较。

,观看-试验管中消失的现象,并解释这种现象。

***原子的第一激发电位,并计算相应的辐射谱线波长。

[留意事项]140~200,才可开启灯丝电压,以免造成短路。

,表明电离发生,应马上降低加速电压,以免-试验管受损。

,试验中各电压值不宜过大,以免损坏仪器。

14[思索题]~曲线呈周期性变化,,***原子的第一激发电位是哪个能级的,为什么,,仪器应做怎样的改进,试验四塞曼效应[引言]1862年,法拉第曾试图探测磁场对钠黄光的谱线是否有作用,因仪器精度欠佳而未果。

1896年荷兰物理学家塞曼发觉钠黄线在磁场的作用下变宽,后来又观看到镉蓝线在磁场的作用下产生分裂,这种现象被称为塞曼效应。

不久洛伦兹依据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞曼效应,但在大多数状况下,试验结果与经典理论结果不全都,因而被称为为反常塞曼效应。

到二十世纪二十年月,人们从试验获得了大量数据,并整理出了阅历公式,却仍旧无法从理论上解释反常塞曼效应。

直到1925年乌伦贝克和哥德斯密特提出电子的自旋以后,反常塞曼效应才得到圆满的理论解释。

塞曼效应是一种磁光效应,在近代物理学的进展中占有特别的地位,它的发觉促进了近代量子理论的进展。

直到今日,塞曼效应仍是讨论原子能级结构的重要方法之一。

[试验目的];***,并与理论结果相比较;。

[试验原理]151896年塞曼发觉当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条光谱线分裂成几条光谱线,分裂的谱线成分是偏振的,分裂的条数随能级的类别而不同。

人们称此现象为塞曼效应。

塞曼效应分为正常塞曼效应与反正常塞曼效应。

正常塞曼效应:单线系的每一条谱线,在垂直磁场方向观看时,每一条分裂为三条,彼此间隔相等,中间一条π线频率不变;左右两条σ线波数转变洛仑兹单位,它们都是线偏振的。

π线的电矢量振动方向平行于磁场;σ线的电矢量振动方向垂直于磁场。

当沿磁场方向观看时,中间的π成分看不到,只能看到两条σ线,它们都是圆偏振的。

正常塞曼效应用经典理论就能赐予解释。

反常塞曼效应:双重或多重结构的原子光谱,在较弱的磁场中,每一条谱线分裂成很多条分线。

谱线的裂距不等于,人们称这类现象为反常塞曼效应。

反常塞曼效应只有用量子理论才能得到满足的解释。

,原子总的磁矩等于二者的矢量和。

在耦合的状况下,原子的总轨道磁矩μ和总轨道角动量以及总自旋磁矩μ和总自旋角动量有下列关系:1,,1,,,22,,1,,,式中,分别表示电子电荷和电子质量;,分别表示轨道量子数和自旋量子数。

轨道角动量和自旋角动量合成原子的总角动量,轨道磁矩和自旋磁矩合成原子的总磁矩μ,因μ与μ比值不同,总磁矩μ不在总角动量的方向上。

但由于μ绕进动,只有μ在方向的投影μ对外平均效果不为零,由矢量模型叠加计算,可以得到μ与数值上的关系为:3,,2,1,,1,,14,1,2,1式中称为朗德因子,它表征原子的总磁矩与总角动量的关系,而且打算了能级在磁场中分裂的裂距大小。

0,,,16,原子的总磁矩在外磁场中受到力矩的作用5,,,式中表示磁感应强度,力矩使及μ绕磁场方向作进动,其旋进角频率6式中,γ为旋磁比,为磁场强度。

由上式可知,旋进频率与磁场强度成正比而与磁矩取向无关。

在外磁场中,原子磁矩引起的附加能量Δ为7,,,,,,,,,将3式代入上式得8,,,2由于μ