2022-2023学年高二物理竞赛课件：原子基态能量

原子基态能量 2023/7/30 2 实验结果： 开始时，电流表读数随电压的 增加而增加，当增加到4.9V时 电流突然下降，不久又上升， 当增加到9.8V时又突然下降然 后再上升……。 综合描述为：电流突然下降时的电压相差都是4.9V， 即KG间的电压为4.9V的整数倍时，电流突然下降。 分析和结论： 电子：受到加速电压的作用而加速能量增加。与Hg原 子相碰撞，有可能把能量传递给原子能量减少。 原子：多数原子是处于基态的，在获得能量后就有可能 跃迁到激发态上。 2023/7/30 3 设原子基态能量为E1，第一激发态能量为E2，电子的 能量为Ee，则 当 时 当ＵKG<4.9eV，Ee<4.9eV，IA随UKG的增加而增加，说明电子的能量未损失，即汞原子不接受低于4.9eV的能量。电子克服反向电压而到达A极，形成电流。而且Ee越高就越容易到达A极，IA也就越来越大。 当UKG=4.9V时，电流IA突然下降，说明电子的能量突然减小，小到不能克服反向电压而到达A。这可以解释为如果电子在G极附近与汞原子相碰，有可能把所获能量全部传递给Hg原子，这恰好使汞原子从基态被激发到最近的一个能量较高的激发态—第一激发态。由于电子的能量全部损失，经过G后不能克服反向电压而到达A极形成电流，因此板极电流就大幅度下降。所以Hg原子E2-E1=4.9eV。 2023/7/30 4 当ＵKG>4.9eV ，电子并不能像经典规律所预言的，把能量全部传给汞原子，而只能转移掉4.9eV。因此，电子就留下了一部分能量，足以克服反电压而到达A极，那时电流又开始上升。 当ＵKG=24.9V时，电子在KG区内有可能与Hg原子发生两次碰撞，依此耗尽能量，从而又造成电流的下降。 如此下去，每隔4.9V便会有一次电流下降。 所以，Hg原子只吸收4.9eV的能量。这就清楚地证实了原子中量 子态的存在，原子的能量不是连续变化的，而是由一些分立的能级组成。 那么4.9eV是不是Hg原子的第一激发态与基态之间的能级之差呢？激发态是不稳定的，它将发出光子，释放能量，回到基态。发出的光波的波长为 在Hg原子光谱中，确实有一条波长为2537A的谱线，在实验误差范围内两者重合。 2023/7/30 5 较高的激发电势（1920） 为什么更高的激发态未能得到激发？ 容器中的Hg原子密度较高，电子与原子的碰撞较频繁， 因此当电子的能量积累到4.9eV时，就与原子碰撞而损 失能量，不可能使电子的能量积累很多而将Hg原子激 发到更高的激发态上去。 1920年，夫兰克将原先的实验装置作了改进，与原来的 装置相比较，有两方面的改进： 1）在靠近阴极K处加了一个栅极G1， 建立一个无碰撞的加速区，使电 子在KG1内只加速不碰撞。 2）使两个栅极Gl与G2处于同电位， 建立一个等势区来作为碰撞区， 电子在G1G2内只碰撞不加速。 2023/7/30 6 结论：原子内存在一系列的量子态。6.73V称为第二激发 电势，即第二激发态与基态的能量差为6.73eV 。 实验结果： 当UKG1＝4.68，4.9，5.29，5.78，6.73V时，IA突然下降。其中4.9V 就是第一激发电势，其它的几个 激发电势中，只观察与6.73V相应 的光谱线，波长为 与观察值1849A十分接近。其余那些状态，均未观测到 相应的光谱线，说明这些状态比较稳定，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。这些态称为亚稳态，对激光的产生很重要。 2023/7/30 7 例：若用能量为12.6eV的电子去轰击基态氢原子时，求 氢原子所能达到的最高能态，在能级图上标出受激发的 氢原子向较低能级跃迁时可能发出的谱线，算出其中波 长最短的一条的波长。基态氢原子电离电势为多少？ 解：因为电子质量m远小于氢原子质量MH，故碰撞后原子 可视作不动，电子的能量传给氢原子，使之激发到 更高的能态En上去。 由于氢原子吸收的能量是量子化的，主量子数n只能 取正整数，故能达到的最高能态n=3 谱线波长： 最短波长： 氢原子的电离能： 相应的电离电势： 2023/7/30 8 量子化通则 玻尔理论的成功： （1）解释氢原子及类氢离子的光谱现象； （2）指出了原子能级的存在,并得到实验验证； （3）提出了定态的概念，事实表明，这一结论对于各 种原子也是普遍正确的； （4）角动量量子化条件L=nh/2，引出了角动量量子化 这一普遍正确的结论，。 玻尔理论的局限性： 没有完全解决原子问题，只能解释氢原子和类氢离子