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热学第二章课件
如果电子从这个非量子化轨道跃迁到一个量子化的轨道,原子就要发射一个光子,其能量为 右边第一项可以是零起的任何正值,第二项相当于一个线系限的能量。所以发出的光的频率是连续变化的,它的数值从线系限起向上增加,即这连续带从线系限起向短波方向延伸。 §2.4 实验验证之二:弗兰克—赫兹实验 原子光谱分立性 原子内部能量量子化证据 一、基本想法 光谱实验:从电磁波发射或吸收的分立特征证明量子态。 玻尔理论:原子内部存在稳定的量子态;电子在量子态之间跃迁时伴随有电磁波的发射或吸收。 The Nobel Prize in Physics 1925 根据以上原理,1914年德国的物理学家弗兰克(Franck)和赫兹(Hertz),用电子碰撞原子的方法使原子激发,由低能态跃迁到高能态 ,从而进一步证实了原子能级量子化的理论。 弗兰克-赫兹实验:用电子束激发原子,测量原子的激发电势和电离电势,证实原子有不连续的能级存在。 原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的能量。如果处于基态的原子要发生状态改变,所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要的能量。 弹性碰撞 —— 碰撞前后电子的动能基本不变,电子几乎不损失能量,只是运动方向改变, 非弹性碰撞 ——电子失去了一部分或全部动能,所失去的动能转化为原子内部的能量,使原子激发或电离。如果原子的能量状态是分立的,原子从基态跃迁到较高的能态,那电子的能量损失将也是分立的。 电子在碰撞后的动能有两种可能情况: 二、弗兰克-赫兹实验 K:热阴极,发射电子 KG区:电子加速与Hg原子碰撞 GA区:电子减速,能量大于0.5 eV的电子可克服反向偏压,产生电流 弗兰克-赫兹实验的装置图如下所示 A:接收极,接收电子 非弹性碰撞,电子损失能量,激发Hg原子 弹性碰撞,电子几乎不损失能量 电子经过 次加速和非弹性碰撞,能量全部损失,电流最小。 缺陷:电子动能达到4.9eV便经碰撞失去能量,无法达到更高动能。 实 验 结 果 前面所讨论的4.9伏特称为汞的第一激发电势。它表示一个电子被加速,获得4.9电子伏特的能量,这个电子如果与汞原子碰撞,则刚好能把汞原子从最低能级激发到最近的较高能级。如果汞原子从这个激发态又跃迁到最低能级,就应当释放出4.9电子伏特的能量,这时可能有光的发射,其波长可以计算出来: 实验中确实观察到这个光谱线,测得波长是253.7nm,与由激发电势算出的符合。 三、改进的弗兰克-赫兹实验 K:旁热式热阴极,均匀发射电子,提高能量测量精度 KG1区:电子加速 G1G2区:电子与原子碰撞 G2A区:电子减速 1924年,Hertz测得4.9eV以上的高激发能 1920年,Franck改进实验装置 A:接收极,接收电子 图中显示有多处电流的下降,其中4.9伏特是以前测得的第一激发电势。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。 从以上的实验结果可以看到,原子被激发到不同的状态时,吸收一定数值的能量,这些数值不是连续的,足见原子内部能量是量子化的,也就是说确实证实了原子能级的存在。这是对玻尔理论的有力支持。 电离电势的测定 如果给予原子足够大的能量,可以使原子中的电子离去,这个过程叫做电离。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。 赫兹曾用右图所示的仪器测量电离电势。 K,K1:热阴极 G:圆柱形金属网 A:圆柱形阳极 G1:金属网 用这种方法测量氖的电离电势 氖的电离电势为21伏特。用这种方法曾测定了多种原子的电离电势。 在光谱实验中,用波数 来表示原子中量子态的能量,而弗兰克- 赫兹实验则是用电子伏特来表示量子态的能量,两个实验中的观察量通过hc联系起来。 例2、 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:由光子波长可算得各辐射相应的能量间隔的跃迁,若 以nm为单位,则由式 算得能级间隔: 由题意知253.6nm的谱线较强,说明这可能相应于原子获取能量后,由基态跃迁到第一激发态,再退激发而发出的辐射。 而它相应的能量间隔为 4.89eV。 由此,可推测8.84
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