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夫兰克-赫兹实验思考题1、伏安特性曲线奇异性来源,即F-H管内到底发生了什么物理过程?F—H管是特别的充入特殊气态物质(如氩)的四极管,它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。在F—H管中,电子由热阴极发出,阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。第一栅极对电子加速起缓冲作用,避免加速电压过高时将阴极损伤。在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2。当电子通过KG2空间,如果具有较大的能量(≥eUpG2)就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流,被微电流计pA检测出来。如果电子在KG2空间因与原子碰撞,部分能量给了原子,使其激发,本身所剩能量太小,以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回,通过电流计pA的电流就将显著减小。实验时,使栅极电压UG2K由零逐渐增加,观测pA表的板流指示,就会得出如图2所示Ip~UG2K关系曲线。它反映了原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当UG2K逐渐增加时,电子在加速过程中能量也逐渐增大,但电压在初升阶段,大部分电子达不到激发原子的动能,与原子只是发生弹性碰撞,基本上不损失能量,于是穿过栅极到达板极,形成的板流Ip随UG2K的增加而增大,如曲线的oa段。当UG2K接近和达到原子的第一激发电位U0时,电子在栅极附近与原子相碰撞,使原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。碰撞使电子损失了大部分动能,即使穿过栅极,也会因不能克服反向拒斥电场而折回栅极。所以Ip显著减小,如曲线的ab段。当UG2K超过原子第一激发电位,电子在到达栅极以前就可能与原子发生非弹性碰撞,然后继续获得加速,到达栅极时积累起穿过拒斥电场的能量而到达板极,使电流回升(曲线的bc段)。直到栅压UG2K接近二倍原子的第一激发电位(2U0)时,电子在KG2间又会因两次与原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥电场,使板流第二次下降(曲线的cd段)。同理,如图三所示,在所标各个电压处,Ip都会下跌,形成规则起伏变化的Ip~UG2K曲线。而相邻两次板流Ip下降所对应的栅极电压之差,就是原子的第一激发电位U0。处于第一激发态的原子经历极短时间就会返回基态,这时应有相当于eU0的能量以电磁波的形式辐射出来。由式(2)得eU0=hν=h·c/λ(4)式中:c为真空中的光速;λ为辐射光波的波长。2、第一激发电位的含义将原子中的一个外层电子从基态激发到第一激发态所需要的能量称为第一激发电位,通常以电子伏为单位表示。第一激发电位是管内物质的性质,反映管内物质能吸收的最小能量,不随F-H管测量条件的变化而变化。玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……,处在这些状态的原子是稳定的,称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变,只能是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时,它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量,则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定:hv=|Em-En|(1)式中:h为普朗克常量。原子从低能级向高能级跃迁,也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。本实验即让电子在真空中与氩蒸气原子相碰撞。设氩原子的基态能量为E1,第一激发态的能量为E2,从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2-E1。初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU,若eU小于E2-E1这份能量,则电子与氩原子只能发生弹性碰撞,二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eU≥E2-E1时,电子与氩原子就会发生非弹性碰撞,氩原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份,使自己从基态跃迁到第一激发态,而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2-E1能量所需加速电场的电位差为U0,则eu0=E2-E1(2)式中:U0为氩原子的第一激发电位。3、夫兰克-赫兹实验的历史(正确的实验,错误的解释)1914年J.夫兰克和G.L.赫兹用低速电子碰撞原子的方法证实了原子分立能态的存在。弗兰克-赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据,对玻尔...

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