高二物理竞赛弗兰克－赫兹实验课件

按照玻尔（Bohr）理论，在原子内存在一系列分立的能级，如果吸收一定的能量，就会从低能级向高能级跃迁，从而使原子处于激发态，而激发态的原子回到基态时，必然伴随有一定频率的光子向外辐射。光谱实验从电磁波发射或吸收的分立特征，证明了量子态的存在，而夫兰克-赫兹（Frank-Hertz）实验用一定能量的电子去轰击原子，把原子从低能级激发到高能级，从而证明了能级的存在。在玻尔理论发表的第二年，即1914年，夫兰克和赫兹进行了电子轰击汞原子的实验，证明了原子内部能量的确是量子化的。可是由于这套实验装置的缺陷，电子的动能难以超过4.9ev，这样就无法使汞原子激发到更高的能态，而只得到汞原子的一个量子态——4.9ev。1920年，夫兰克改进了原来的实验装置，把电子的加速与碰撞分在两个区域内进行，获得了高能量的电子，从而得到了汞原子内一系列的量子态。夫兰克-赫兹实验的结果表明，原子被激发到不同状态时，吸收一定数值的能量，这些数值是不连续的。即原子体系的内部能量是量子化的，原子能级确实存在。1、弗兰克－赫兹实验玻尔理论实验验证(原子内部能量量子化证据)1、（类）氢原子光谱2、弗兰克－赫兹实验出现在KG1间的电压为4.68，4.9，5.29，5.78，6.73伏特等值。其中4.9伏特就是以前测得的第一激发电势。在其他测得的激发电势中，只有6.73伏特有相应的光谱线被观察到，波长是184.9nm，其余相当于原子被激发到一些状态，从那里很难发生自发跃迁而发出辐射，所以光谱中不出现相应的谱线。这些状态称为亚稳态。汞原子能级图J.Franck(1882-1964)G.Hertz(1887-1975)fortheirdiscoveryofthelawsgoverningtheimpactofanelectronuponanatom

TheNobelPrizeinPhysics1925

电离电势的测定把电子在电场中加速，如使它与原子碰撞刚好足以使原子电离，则加速时跨过的电势差称为电离电势。赫兹的电离电势测量仪器如果给予原子足够大的能量，可以使原子中的电子离去，这叫电离。第一电离电势是指从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。图2.14显示氖的电离电势是21伏特。用这方法曾测定多种原子的电离电势。原子的电离电势也可以从光谱的实验数据推算。例如：由中性原子与其正一价离子的基态能量差可以得到原子的电离能。例

在气体放电管中，一束能量为10eV的电子和单原子气体发生碰撞，发射出的辐射波长有：140.2nm,253.6nm和313.2nm.其中253.6nm的光谱较其他两个成分强。请给出相应的能级图，并给出到达阳极的电子的能量。解：由波长可算出辐射对应的能级间隔对应第二激发态跃迁到基态对应第一激发态跃迁到基态对应第二激发态跃迁到第一激发态到达阳极的电子能量有下列几种：1）没和原子发生非弹性碰撞的电子，器能量仍为10eV2）和原子发生非弹性碰撞，使原子激发到第一激发态，因而电子能量损失4.89eV,所以到达阳极的电子能量为10-4.89=5.11eV3）和原子发生非弹性碰撞，使原子激发到第二激发态，电子损失能量8.84eV，到达阳极的电子能量为：10-8.84=1.16eV能级图例

氢原子的基态能量E1=-13.6eV。在气体放电管中受到12.9eV的电子轰击，使氢原子激发，问此放电管中的氢原子从激发态向低能态跃迁时一共能产生几条谱线？其中波长最长的光谱线、最短的光谱线及可见光光谱线的波长各为多少？例1:玻尔量子化可由量子化通则得到对氢原子,电子轨道角动量是守恒量,例2:普朗克能量量子化可由量子化通则得到谐振子坐标:动量:谐振子能量:得:1916年,德国物理学家索末菲(A.Sommerfeld)推广了玻尔量子化条件，考虑了更一般的椭圆轨道运动情形和相对论修正——玻尔－索末菲理论1.电子的椭圆轨道运动问题的提出：高分辨光谱发现由三条紧靠的谱线组成。经典力学：电子在库仑中心力场中沿椭圆轨道运动

动量：线动量角动量原子的能量：极坐标系：r原子核处于椭圆轨道一个焦点上椭圆轨道的量子化条件：主量子数径向量子数角量子数根据角动量守恒，不随改变半长轴半短轴角量子数nφ越小离心率越大*轨道形状与量子数的关系