法兰克-赫兹实验

✍ dations ◷ 2025-07-03 13:13:45 #法兰克-赫兹实验
法兰克-赫兹实验是一个由德国物理學家詹姆斯·法兰克和古斯塔夫·赫兹完成的著名物理实验。这实验首先直接地证实了波耳模型离散能级概念的正确性。 1914 年,他们发表了这令人信服的实验结果,对于现代量子力学被科学界接受做出重大的贡献。由于他们“发现那些支配原子和电子碰撞的定律”,法兰克和赫兹共同得到1925年诺贝尔物理學奖。在尼尔斯·波耳创建的波耳模型里,电子是绕着原子核运行于离散能级的轨道。法兰克-赫兹实验显示出,原子的确只能够吸收(受激)特定数量的能量(量子),因此证实了波耳原子的能级是离散的。这个经典实验的主要实验器具是一个类似真空管的管状容器,称为水银管,内部充满温度在 140 ∘ C {displaystyle 140^{circ }C,!} 与 200 ∘ C {displaystyle 200^{circ }C,!} 之间,低气压的水银气体。水银管内,装了三个电极:阴极、网状控制栅极、阳极。阴极的电势低于栅极跟阳极的电势,而阳极的电势又稍微低于栅极的电势。阴极与栅极之间的加速电压是可以调整的。通过电流将钨丝加热,钨丝会发射电子。由于阴极的电势高于钨丝的电势,阴极会将钨丝发射的电子往栅极方向送去。因为加速电压作用,往栅极移动的速度和动能会增加。到了栅极,有些电子会被吸收;有些则会继续往阳极移动。通过栅极的电子,必须拥有足够的动能,才能够抵达阳极;否则,会被栅极吸收回去。装置于阳极支线的安培计可以测量抵达阳极的电流。使用弹性碰撞和非弹性碰撞的理论,法兰克和赫兹给予了这实验合理的解释。当电压很低时,被加速的电子只能获得一点点能量。他们只能与水银原子进行纯弹性碰撞。这是因为量子力学不允许一个原子吸收任何能量,除非碰撞能量大于将电子跃迁至较高的能量量子态所需的能量。由于是纯弹性碰撞,系统内的总动能大约不变。又因为电子的质量超小于水银原子的质量,电子能够紧紧地获取大部分的动能。增加电压会使电场增加,刚从阴极发射出来的电子,感受到的静电力也会加大。电子的速度会加快,更有能量地冲向栅极。所以,更多的电子会冲过栅极,抵达阳极。因此安培计读到的电流也会单调递增。水银原子的电子的最低激发能量是 4.9 e V {displaystyle eV,!} 。当加速电压升到 4.9 伏特时,每一个移动至栅极的自由电子拥有至少 4.9 e V {displaystyle eV,!} 动能(外加电子在那温度的静能)。自由电子与水银原子可能会发生非弹性碰撞。自由电子的动能可能被用来使水银原子的束缚电子从一个能量量子态跃迁至另一个能量量子态,从而增加了束缚电子的能极,称这过程为水银原子被激发。但是,经过这非弹性碰撞,自由电子失去了 4.9 e V {displaystyle eV,!} 动能,它不再能克服栅极与阳极之间负值的电压。大多数的自由电子会被栅极吸收。因此,抵达阳极的电流会猛烈地降低。假设加速电压超过 4.9 伏特,自由电子会在从阴极移动至栅极的路途中,遇到一个非弹性碰撞,失去 4.9 e V {displaystyle eV,!} ,然后继续被加速。照着这方式,在电压超过 4.9 e V {displaystyle eV,!} 之后,电流重新单调递增。当电压在 9.8 伏特时,情况又有改变。每一个自由电子有足够的能量造成两次非弹性碰撞,失去 9.8 e V {displaystyle eV,!} 。自由电子又无法抵达阳极。安培计读到的电流再度会猛烈地降低。电压每增加 4.9 伏特,就会发生一次这种状况,电子累积足够能量(4.9 e V {displaystyle eV,!} 的整数倍)后,造成更多次的非弹性碰撞。氖气体也会发生类似的行为模式,可是电压间隔大约是 19 伏特。程序是相同的,只有阈值不同。当电压在 19 伏特时,在栅极附近,氖气体会发光。激发的氖原子会发射橘红色光线。越增加电压,自由电子越早累积到足够的动能 19 e V {displaystyle eV,!} ,发光处会离阴极越近。当电压在 38 伏特时,在氖气体管里会有两个发光处。一处在阴极与栅极中间,一处在栅极附近。电压加高,每增加 19 伏特,就会多形成一个发光处。

相关

  • 活性氧类活性氧类(英语:Reactive oxygen species,ROS),是生物有氧代谢过程中的一种副产品,包括氧离子、过氧化物和含氧自由基等。这些粒子相当微小,由于存在未配对的自由电子,而十分活跃。过
  • 压力是一个心理学与生物学的术语,意指人类或动物面对情绪上或身体上的有形或无形威胁时,无法正常回应的感受状态。该名词首次出现于1930年代的生物学研究领域里,近年来已逐渐为
  • 唇疮唇疮,学名复发性唇疱疹,是出现于嘴唇或鼻孔边缘的感染,由具有传染性的单纯疱疹病毒一型病毒所引起。唇疮出现初期,患处会出现痕痒和灼热,然后出现水泡,之后会演变成溃疡。
  • 埋扇蟹铜铸熟若蟹(学名:Zosimus aeneus),俗名埋扇蟹,为扇蟹科熟若蟹属的动物。分布于太平洋的日本、琉球、台湾南部和各离岛岩礁(达悟语:citow)、东南亚各国、西沙群岛、海南岛、夏威夷
  • 语言灭亡语言灭亡(英语:language death、language extinction、linguistic extinction、linguicide、glottophagy)是一个影响语言社群的过程。这现象显示某项语言变体的讲者族群,相关之
  • 可变剪接选择性剪接(英语:Alternative splicing;又称“可变剪接”)是基因表达的方式,在复杂的动物例如人类细胞是非常普遍的。真核细胞的基因序列中,包含了内含子(intron)与外显子(exon),两者交
  • 国家级自然保护区中国的自然保护区,根据《中华人民共和国自然保护区条例》,是指对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布区、有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的陆
  • 规则溶液在化学中,规则溶液(英语:Regular Solution) 为最接近理想溶液之真实溶液,满足准化学模式,溶液的混合焓不等于0(理想溶液混合焓=0),溶液混合时总体积等于所有溶液成分之体积加总(同
  • 打通南北航线打通南北航线,以黎明轮在1968年4月至5月间从广东湛江至山东青岛的航行为标志,中国大陆方面恢复使用本国船只运行南北港口间海运的事件。1949年,随着两岸分治及中华人民共和国政
  • 加拿大省加拿大联合省(英语:United Province of Canada)是19世纪时英国在加拿大东南部的一个殖民地,也被称为加拿大省(Province of Canada),为现今加拿大联邦的前身。1841年,英国将上加拿大