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阴极射线管在量子物理研究中的应用课程中与阴极射线管相关的实验

更新时间:2008-6-23:  来源:毕业论文
阴极射线管在量子物理研究中的应用课程中与阴极射线管相关的实验

首先要介绍一下阴极射线管。阴极射线管是一个抽真空的玻璃管,里面封进去一个电子枪。电子枪由灯丝F、阴极K和栅极G组成。灯丝是一根金属细丝,通电后能发热;阴极是一根细金属管,被灯丝烤热后能发射电子;栅极是围绕阴极的金属线圈,由于挨得阴极近,所以加一点电压就能控制电子的发射。发射电子在阳极P正高压的吸引之下飞向阳极形成阳极电流Ip。阳极是一个金属圆筒套在阴极外边,阴极向四面发射电子形成电流Ip

上面是本学期做物理实验时一位老师讲到阴极射线管时所做的大概的解释,同时他还说到阴极射线管是一个非常伟大的发明,在其上诞生过多次诺贝尔奖。下面就讨论一下本学期学习的内容中与阴极射线管相关的实验和知识内容,主要有光电效应,X射线的发现和弗兰克-赫兹实验。

首先要说的应该是光电效应。之所以要把它放在最前面,是因为它是这里要讨论的几个实验中最基础的,不仅是从时间先后顺序上,更是因为从光电效应实验中得到的结论和经验对后面两个实验有直接的理论和技术支持。

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6-1-1 光电效应实验简图

1888年,德国物理学家赫兹在从事电磁波实验时注意到,接收电路中感应出来的电火花,当间隙的两个端面受到光照射时,火花要变得更强一些。此后,他的同事勒纳德测量了受到光照射的金属表面所释放的粒子的比荷,确认释放的是一种带负电的粒子,但是当时电子尚未发现,所以这种粒子被命名为阴极射线,这也是现在讨论的阴极射线管名称的由来。

左图是光电效应实验的原理图,其中最上方   A—K的部分便是阴极射线管的最初模型。最左边是阴极,一定强度的入射光透过石英窗照射到阴极K上,使K释放出电子,电子在加速电压的作用下飞向阳极A形成光电流。这就是光电效应,实验本身并不复杂,但在重复实验中人们发现了下面这些性质很难用当时已经知道的规律和知识来解释:

1、频率特性:不同的金属,有其不同的极限频率,只有入射光超过其极限频率时光电效应才能发生。低于极限频率,再强的光也不能产生光电效应

2、  光强特性:在一定的光强下,外电压增加,光电流逐渐增大,达到饱和。入射光越强,激发的电子越多,饱和光电流越大。

3、  瞬时响应:只要超过极限频率的光,即使很微弱,一经照射光电效应也会立即发生,而没有任何能量积聚的过程。

  这些性质使试图用经典的物理学知识解释光电效应的人束手无策。为了圆满地解释这么性质,爱因斯坦在普朗克量子化理论假设的基础上提出了光子假设。光子假设很好地解释了光电效应,而爱因斯坦也因此获得了诺贝尔物理学奖。

    自从光电效应被发现,关于阴极射线本质的争论就一直没有停止过,而让这一切争论结束的是汤姆逊。通过对阴极射线的研究,他取得了划时代的成就:发现了电子。所以,不能不说阴极射线管在电子发现的过程中扮演了一个相当重要的角色。

   

1895年,也就是在光电效应被发现后7年,利用主要部分几乎是完全相同的实验装置,甚至连实验方法也如出一辙,伦琴发现了X射线。若图片无法显示请联系QQ752018766,本论文免费,转发请注明源于www.lwfree.cn

 

具体过程是这样的:他在研究阴极射线时,为了防止外界光线对放电管的影响,也为了不使管内的可见光漏出管外所以把房间全部弄黑,还用黑色硬纸给放电管做了个封套。为了检查封套是否漏光,他给放电管接上电源,看到封套没有漏光他非常满意,可是当切断电源时却意外地发现一米以外的一个小工作台上有闪光,闪光是从一块荧光屏上发出的。他非常惊奇,因为阴极射线只能在空气中进行几个厘米,这是别人和他自己的实验早已证实的结论。于是他全神贯注地重复刚才的实验,把屏一步步地移远,直到2以外仍可见到屏上有荧光。伦琴确信这不是阴极射线了。伦琴的治学态度非常严谨认真,经过反复实验,确信这是种尚未为人所知的新射线,便取名为X射线。

上面和图是从发现X射线的实验仪器,可以看出主要部分就是阴极射线管。在中学中已经学过排列在原子核周围的电子的势能是外层大内层小,而势能越小越稳定,所以原子中内层电子是很稳定的。但当利用阴极射线管把阴极阳极之间的电压加到几千伏几万伏甚至十几万伏时,在这样的电场中被加速的电子也会相应获得几千几万甚至十几万电子伏特的电量。具有如此大能量的电子打到阳极上,阳极材料原子的内层电子也会因为招架不住这么大的能量而被激发,这样就获得了X射线,或者像课本中说的那样,具有极高能量的电子与阳极发生碰撞而发射的波长约为0.001~0.01nm的电磁波即为X射线。

X射线的发现对人们的工作生活产生了极为重要的影响。特别是它在医学上的应用更是医学使上的一次不小的变革。此外,它在科学研究中的作用也是相当大,例如前面提到的汤姆逊对电子的研究就是从用X射线轰击气体并使其电离开始的;另外一个很著名的例子就是DNA分子双螺旋结构的发现,作为一名物理学家,克里克正是充分利用了X射线分析法才能够最终发现双螺旋结构,他也因此获得了诺贝尔奖。同样,伦琴也因为自己发现了X射线而荣获了1901年第一届诺贝尔物理学奖。

尽管已经从阴极射线管中取得了如此多如此巨大的成就,科学家利用阴极射38

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