弗兰克赫兹实验通过什么实验现象说明原子内部的能量是量子化的
弗兰克赫兹实验通过用低速电子去轰击原子实验现象说明原子内部的能量是量子化的。为了研究原子内部的能量时态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。实验要求：n 通过对汞原子第一激发电位测量，了解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。n 了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。碰撞过程及能量交换此过程在G1G2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达A从而不能形成电流。= 4.7V，使原子激发到63P0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。= 4.9V，使原子激发到63P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，形成第一个峰。= 9.8V，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在G2处失去动能，形成第二个峰。= 4.9nV，将形成第n个峰。n 电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定，还与电子速度等有关。λ很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。λ很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在λ很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离。注意事项n 先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯on亮（绿色），到设定温度off指示灯亮（红色）。n 接线，将Vf，VG1K，VG2P，VG2K的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电源，然后据炉上标签设定各电压值。用“手动”档测曲线。n 实验中若产生电离击穿(电流迅速严重过载)，立即将加速电压调到零，减小灯丝电压，每次减小0.1~0.2V，重新测曲线。n 加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。n 在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。
弗兰克-赫兹实验的发现过程是什么？
弗兰克—赫兹实验1914年，弗兰克（Franck，J．1882—1964）和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持4.9eV，即汞原子只接收4.9eV的能量。基本信息时间1914年学科量子力学证明原子内部结构存在分立的定态能级基本简介弗兰克1914年，弗兰克（James Franck，1882~1964）和赫兹(Gustar Hertz，1887~1975)在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持4.9eV，即汞原子只接收4.9eV的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要作用，曾共同获得1925年的物理学诺贝尔奖。在本实验中可观测到电子与汞蒸汽原子碰撞时的能量转移的量子化现象，测量汞原子的第一激发电位，从而加深对原子能级概念的理解。弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。弗兰克擅长低压气体放电的实验研究。1913 年他和G.赫兹在柏林大学合作，研究电离电势和量子理论的关系，用的方法是勒纳德（P.Lenard ）创造的反向电压法，由此他们得到了一系列气体，例如氦、氖、氢和氧的电离电势。后来他们又特地研究了电子和惰性气体的碰撞特性。详细信息G.赫兹1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克（JamesFranck，1882—1964）和哈雷大学的G.赫兹（Gustav Hertz，1887—1975），以表彰他们发现了原子受电子碰撞的定律。弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。弗兰克擅长低压气体放电的实验研究。1913 年他和G.赫兹在柏林大学合作，研究电离电势和量子理论的关系，用的方法是勒纳德（P.Lenard ）创造的反向电压法，由此他们得到了一系列气体，例如氦、氖、氢和氧的电离电势。后来他们又特地研究了电子和惰性气体的碰撞特性。1914年他们取得了意想不到的结果，他们的结论是：（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速；（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为2536 的汞谱线的能量子；（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。弗兰克和G.赫兹的实验装置主要是一只充气三极管。电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。当电子管中充以汞蒸气时，他们观测到，每隔4.9V电势差，板极电流都要突降一次。如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，其临界电势差约为21V。弗兰克和G.赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率ν与电离电势V有如下的量子关系：hν=eV。弗兰克和G.赫兹在 1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V电势差引起了汞原子的电离。他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。其实，玻尔在得知弗兰克－赫兹的实验后，早在1915年就指出，弗兰克－赫兹实验的4.9V正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。1919年，弗兰克和G.赫兹表示同意玻尔的观点。弗兰克在他的诺贝尔奖领奖词中讲道：“在用电子碰撞方法证明向原子传递的能量是量子化的这一科学研究的发展中，我们所作的一部分工作犯了许多错误，走了一些弯路，尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。后来我们认识到了玻尔理论的指导意义，一切困难才迎刃而解。我们清楚地知道，我们的工作所以会获得广泛的承认，是由于它和普朗克，特别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系。”
玻尔理论是什么?如何解释其内容与应用?
1.玻尔理论
玻尔理论,关于原子结构的一种理论.1913年由玻尔提出.是在卢瑟福原子模型基础上加上普朗克的量子概念后建立的.要点是：
(1)原子核外的电子只能在某些规定的轨道上绕转,此时并不发光；
(2)电子从高能量的轨道跳到低能量的轨道时,原子发光.
具体来说,玻尔理论包括三条假说
1、原子能量的量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中的原子是稳定的,电子虽然做加速运动,但并不向外辐射能量.
2、原子能级的跃迁假设：原子从一个定态跃迁到另一个定态时,原子辐射一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定.
3、原子中电子运动轨道量子化假设：原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道.由于原子的能量状态是不连续的,因此电子运动的轨道也可能是不连续的,即电子不能在任意半径的轨道上运动
玻尔理论的优点:
成功解释了氢原子光谱不连续的特点,解释了当时出现的"紫外灾难".
玻尔理论的局限性
这个理论本身仍是以经典理论为基础,且其理论又与经典理论相抵触.它只能解释氢原子的光谱,在解决其他原子的光谱是就遇到了困难,如把理论用于非氢原子时,理论结果与实验不符,且不能求出谱线的强度及相邻谱先之间的宽度.这些缺陷主要是由于把微观粒子(电子,原子等)看作是经典力学中的质点,从而把经典力学规律强加于微观粒子上(如轨道概念)而导致的.
“玻尔理论”的提出,打破了经典物理学一统天下的局面,开创了揭示微观世界基本特征的前景,为量子理论体系奠定了基础,这是一种了不起的创举,不愧为爱因斯坦的评价－－玻尔的电子壳层模型是思想领域中最高的音乐神韵.
2.解释其内容与应用:
卢瑟福的原子核式结构模型能成功地解释 粒子散射实验,但无法解释原子的稳定性和原子光谱是明线光谱等问题.为此,1913年玻尔提出了开创性的三个假设：
（1）定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量的状态中,在这些状态中原子是稳定,电子虽然绕原子核做圆周运动,但并不向外辐射能量,这些状态叫定态.
（2）跃迁假设：电子从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道上时,会辐射或吸收一定频率的光子,能量由这两种定态的能量差来决定,即
（3）角动量量子化假设：电子绕核运动,其轨道半径不是任意的,只有电子的轨道角动量（轨道半径r和电子动量mv的乘积）满足下列条件的轨道才是可能的：
n=1,2,3……
式中的n是正整数,称为量子数.
4．玻尔理论在氢原子中的应用
（1）氢原子核外电子轨道的半径
设电子处于第n条轨道,轨道半径为r,根据玻尔理论的角动量量子化假设得
n=1,2,3…… （1）
电子绕原子核作圆周运动时,由电子和原子核之间的库仑力来提供向心力,所以有
（2）
由（1）（2）式可得
n=1,2,3……
当n=1时,第一条轨道的半径为
=5.3×10 –11m
其他可能的轨道半径为
,4r1 ,9r1 , 16r1 , 25r1 …
（2）氢原子的能级
当电子在第n条轨道上运动时,原子系统的总能量E叫做第n条轨道的能级,其数值等于电子绕核转动时的动能和电子与原子核的电势能的代数和
En = （3）
由（2）式得
（4）
将（4）式代入（3）式得
En = （5）
这就是氢原子的能级公式
当n=1时,第一条轨道的能级为
E1 = = —13.6eV
其他可能轨道的能级为
E n= = eV n=2,3,4……
由轨道的半径表达式可以看出,量子数n越大,轨道的半径越大,能级越高.n=1时能级最低,这时原子所处的状态称为基态,n=2,3,4,5……时原子所处的状态称为激发态.
（3）玻尔理论对氢光谱的解释
由玻尔理论可知,氢原子中的电子从较高能级（设其量子数为n）向较低能级（设其量子数为m）跃迁时,它向外辐射的光子能量为
=
辐射的光子频率为
=
将上式改写为
= =
将上式和里德伯公式做比较得
R= =1.097373×10 7 m –1
这个数据和实验所得的数据1.0967758×10 7m-1基本一致.因此用玻尔理论能较好地解释氢原子的光谱规律,包括氢光谱的各种线系.例如：赖曼系、巴尔末系、帕邢系、布喇开系等的规律.当然,玻尔理论也有局限性,它在解释两个以上电子的比较复杂的原子光谱时遇到困难.后来诞生了量子理论——量子力学,在量子力学中,玻尔理论中的电子轨道,只不过是电子出现机会最多的地方.
（四）原子的受激辐射——激光
原子辐射有两种情形：（1）自发辐射：处于激发态E2的原子,由于不稳定自发地跃迁到低能的E1上,同时辐射光子.光子的能量为 = ,普通的光源发光就属于这种辐射.它辐射的光子彼此能独立,发射的方向和初相位都不相同,所以我们可以从各个方向看到它发出的光.（2）受激辐射；当原子处于激发态E2时恰好有能量为 = 的光子趋近它,原子就可能受到此外来光子的激励而跃迁到低能态E1上,同时发射出一个和外来光子完全一样的光子.
激光就是由受激辐射产生的,一个入射光子由于引起受激辐射可以得到两个同样的光子,如果这两个光子在媒质中传播时再引起其他原子发生受激辐射,就会产生越来越多的相同的光子,使光得到加强,这就是激光,激光具有高单色性、高相干性、高亮度、而且方向性好.
二．原子核
（一）放射性元素的衰变
一些不稳定的原子核会自发地转变成另一种原子核同时放出射线,通常有 射线、 射线和 射线. 射线是氦原子核组成的粒子流, 射线是高速的电子流, 射线是波长很短的电磁波.原子核由于放出某种粒子而转变成新核的过程叫衰变.
原子核是一个量子体系,核衰变是原子核自发产生的变化,是一个量子跃迁的过程,它服从量子力学的统计规律.对任何一个放射性元素,它发生衰变的时刻是不可预告的,但对足够多的同一种放射性元素的集合,作为一个集体,它的衰变规律是则是十分精确的.用N0表示初始时的原子核数,经t时间后衰变的原子核数为N,则有
N = N0 （1）
这就是放射性衰变服从的指数衰减规律,式中 代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率,称为衰变常数.
放射性元素衰变有一定的速率,我们把放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫半衰期T.即当t = T时,有 ,由（1）式可得
T=
或者写为
对某种确定的放射性元素,原子核发生衰变的时间有早也有晚,它们存在的时间不一样.理论上常用平均寿命 来表示放射性元素在衰变前的平均生存时间,放射性元素的平均寿命可表示为
原子核放出射线后自身就发生衰变,在衰变过程中,质量数、电荷数、能量、动能是守恒的.根据质量数和电荷数的守恒定律,可以判定衰变的产物；根据能量守恒定律,结合衰变前后粒子的质量,可以求出衰变过程中所放出的能量.
（二）原子核的结合能与质能方程
核子在结合成原子核时,由于有强大的核力作用,必须释放一定的能量.反之,将原子核分解成核子时,则要吸收同样多的能量,这个能量叫原子核的结合能.由于核子结合成原子核时放出了结合能,因此核的质量跟组成它的核子的质量比较起来就要小一些,设由Z个质子、N个中子组成的原子核,其质量为M,如果这Z个质子,N个中子是分散的,总质量应为Z m p + N m n,则由分散到结合在一起质量相差
这叫做原子核结合过程的质量亏损.
由爱因斯坦的相地论的质能方程有
E= m c2
这个方程表示物体的的能量增加 E,那么它的质量也相应地增加 ,反之亦然.式中c为真空中的光速.
所以在原子核结合过程中,质量亏损与能量变化的关系为
E= m c2
这就是原子核的结合能.原子核的结合能与其核子数之比叫每个核子的平均结合能.不同原子核的平均结合能不同,轻核和重核的平均结合能都较小,中等质量数的原子核,平均结合能较大,质量数为50—60的原子核平均结合能最大.
（三）核的裂变和聚变
1．重核的核子平均结合能比中等质量的核的核子平均结合能小,因此重核分裂成中等质量的核时,会有一部分原子核结合能释放出来,这种核反应叫裂变,如铀核裂变.当中子打击铀235后,应形成处于激发状态的复核,复核裂变为质量差不多相等的碎片,同时放出2—3个中子和原子核结合能
U+ n Xe + Sr + 2 n + 200Mev
这些中子如能再引起其它铀核裂变,就可使裂变反应不断地进行下去,这种反应叫链式反应,释放出大量的能量.原子弹、原子反应堆等装置就是利用U核裂变的原理制成的.链式反应要不断进行下去的一个重要条件是每个核裂变时产生的中子数要在一个以上.
2．轻的原子核变成较重的原子核时,也会释放出更多的原子核结合能,这种轻核结合成质量较大的核叫做聚变.如：
H+ H He + n + 17.6Mev
使核发生聚变,必须使它们接近到10-15米.一种办法是把核加热到很高温度,使核的热运动协能足够大,能够克服相互间的库仑斥力,在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度,因此,这种反应又叫做热核反应.氢弹是根据聚变的原理制成的.
玻尔理论有哪些主要内容？
光电效应：阿尔伯特·爱因斯坦通过扩展普朗克的量子理论，提出不仅仅物质与电磁辐射之间的相互作用是量子化的，而且量子化是一个基本物理特性的理论。通过这个新理论，他得以解释光电效应。
原子能级跃迁：20世纪初卢瑟福模型是当时被认为正确的原子模型。这个模型假设带负电荷的电子，像行星围绕太阳运转一样，围绕带正电荷的原子核运转。在这个过程中库仑力与离心力必须平衡。但是这个模型有两个问题无法解决。首先，按照经典电磁学，这个模型不稳定。按照电磁学，电子不断地在它的运转过程中被加速，同时应该通过放射电磁波丧失其能量，这样它很快就会坠入原子核。其次原子的发射光谱，由一系列离散的发射线组成，比如氢原子的发射光谱由一个紫外线系列（赖曼系）、一个可见光系列（巴耳末系）和其它的红外线系列组成。按照经典理论原子的发射谱应该是连续的。1913年，尼尔斯·玻尔提出了以他命名的玻尔模型，这个模型为原子结构和光谱线，给出了一个理论原理。玻尔认为电子只能在一定能量En的轨道上运转。假如一个电子，从一个能量比较高的轨道（En），跃到一个能量比较低的轨道（Em）上时，它发射的光的频率为。通过吸收同样频率的光子，可以从低能的轨道，跃到高能的轨道上。玻尔模型可以解释氢原子，改善的玻尔模型，还可以解释只有一个电子的离子，即He+,Li2+,Be3+等。但无法准确地解释其它原子的物理现象。
电子的波动性：
德布罗意假设，电子也同时伴随着一个波，他预言电子在通过一个小孔或者晶体的时候，应该会产生一个可观测的衍射现象。1925年，当戴维孙和革末在进行电子在镍晶体中的散射实验时，首次得到了电子在晶体中的衍射现象。当他们了解到德布罗意的工作以后，于1927年又较精确地进行了这个实验。实验结果与德布罗意波的公式完全符合，从而有力地证明了电子的波动性。
电子的波动性也同样表现在电子在通过双狭缝时的干涉现象中。如果每次只发射一个电子，它将以波的形式通过双缝后，在感光屏上随机地激发出一个小亮点。多次发射单个电子或者一次发射多个电子，感光屏上将会出现明暗相间的干涉条纹。这就再次证明了电子的波动性。
电子打在屏幕上的位置，有一定的分布概率，随时间可以看出双缝衍射所特有的条纹图像。假如一个光缝被关闭的话，所形成的图像是单缝特有的波的分布概率。
从来不可能有半个电子，所以在这个电子的双缝干涉实验中，是电子以波的形式同时穿过两条缝，自己与自己发生了干涉，不能错误地认为是两个不同的电子之间的干涉。值得强调的是，这里波函数的叠加，是概率幅的叠加而不是如经典例子那样的概率叠加，这个“态叠加原理”是量子力学的一个基本假设。
