原子物理学经典实验

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1、一、α粒子散射实验--汤姆孙模型的实验检验被散射的α粒子散射角大部分分布在小角度区域(平均2-3°)，但是大约有1/8000的α粒子散射角，甚至达到180°,即发生背反射；α粒子发生大角度偏转，说明这些α粒子在接近原子时受到的力很大，但汤姆孙模型下不能发生这些大角度的偏转。二、光电效应实验1、光电效应的实验规律观察光电效应的实验装置示意图减速势的作用是检测光电子动能的大小。使得光电流为0所需施加的最小反向电压称为截止电压V0,它刚好使得具有最大初动能的光电子不能到达负极，有2、经典理论的困惑瞬时性问题按经典理论，电子逸出金属所需的

2、能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符.经典的驰豫时间50min，光电效应的不超过1ns。截止频率v0问题按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属.而实际情况是存在一截止频率v0，低于此值，无论光强多强，都不会有光电效应现象发生。3、量子解释-爱因斯坦方程光量子（光子）假设爱因斯坦方程电子一次性吸收一个光子能量，要么吸收，要么不吸收，吸收的能量一部分用来克服金属表面的束缚，另外一部分转化为自身的动能，即逸出功，与材料有关量子解释截止频率瞬时性：

3、一个电子一次性吸收一个光子能量，无需时间积累截止电压与频率的线性关系：将和爱因斯坦方程结合消去动能项得，截止电压V0与入射光频率v之间的线性关系可以用来测定普朗克常数h，直线斜率就是h/e三、弗兰克-赫兹实验1、基本思想玻尔理论的核心是原子体系能量量子化，能量的分立特征决定了原子光谱是线状谱，反过来说，光谱实验中电磁波发射或吸收的分立特征也就证明原子能量量子化；弗兰克-赫兹实验用荷能电子碰撞原子，原子分立的能态特征就必然意味着它只能吸收某些特定的能量产生激发，从电子上转移的这些特定的能量值也能证明原子能量量子化；电子作为一种激发原

4、子的手段是十分有效的，因为电子质量非常小，在碰撞时可把全部动能转给原子。弗兰克和赫兹开创了用带电粒子和原子的碰撞实验研究化学物理问题，因此荣获1925年Nobel物理奖。2、弗兰克-赫兹实验(1914)K:灯丝阴极；G:栅极；A:接收极;KG间加正向电压，从0可调，加速电子;GA加反向电压0.5V，屏蔽低能电子。加热电离加速0510板极电流和加速电压之间的关系IA-U曲线呈现振荡性质，极大值和极小值交替出现，相邻两个极大或极小之间的电压差为4.9V.U<4.9V时，电子在KG间加速获得的能量小于4.9eV，和Hg原子碰撞时，该能量

5、不能被Hg原子吸收，只要在加速区获得的能量大于0.5eV，就能冲过减速区到达板极形成电流，电压越大，电流越大；U=4.9V时，G附近和Hg原子碰撞，几乎所有能量传给Hg原子后再无能力克服反向电压到达A，电流I出现极小；9.8V>U>4.9V时，电子在KG之间和Hg原子碰撞，转走4.9eV能量，剩下的能量克服反向电压到达A，电压越大，电流越大；U=9.8eV时，碰撞两次，第二次在G附近，失去几乎所有能量，又一次电流极小；类推下去…….3、改进的弗兰克-赫兹实验(1920)旁热式加热，让电子均匀发射，电子能量测得更准；靠近K增加栅极G

6、1，KG1距离小于电子平均自由程，其内只加速不碰撞，积累较高的能量；（条件：方框装置内的汞蒸气抽成稀薄气体。以至于加速层距离小于平均自由程。）G1G2之间等势区，只碰撞不加速。实验结果显示出汞原子内存在一系列的分立能级。汞原子能级图四、戴维孙-革末电子衍射实验（1927）K狭缝电流计V电子射线GNi单晶集电器加速电压V实际上改变的是电子波长，戴维孙-革末实验就是在固定θ角(或电压)的条件下，通过控制电压(改变θ角)来观察散射电子束的强度变化；V=54V,θ=50°时，探测到的反射束强度出现一个明显的极大。对照右图，入射电子束与晶面

7、之间的夹角为90°-θ/2，晶面间距为asinθ/2，布拉格公式为，电子波长为，此处V以伏特为单位当V=54V时，对应的电子波长为将电子波长值代入布拉格公式得，可见k只能取1，于是有，θ的理论值与实验值有将近1°的偏差，这是因为电子进入晶格后，在晶格中速度要增加，波长变短，相应的θ值变小。基于此而作适当修正，得到，与实验结果完全符合。这就有力的证明了电子的波动性，同时也证明了德布罗意关系式的正确性。五、电子双缝干涉实验1、实验观察和现象干涉项对比(a)和(b)，我们可以清楚的看出经典波和经典粒子是两个截然不同的概念，波能够呈现出干

8、涉和衍射现象，而干涉和衍射的本质在于波的相干叠加性。电子双缝干涉不同于经典波的地方减弱电子束强度，使得电子一个一个的发射，且电子发射的间隔远远大于电子到达屏幕的时间，结果发现只要屏幕的曝光时间足够长，经过长时间的积累以后，屏幕上同样可以出现双缝干涉