阴极射线管在量子物理研究中的应用

线管进行的研究并没有停止。1914年，弗兰克和赫兹在利用充汞的阴极射线管研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时发现电子流随电子能量呈现规律的周期性变化，而这点正好与前一年玻尔提出的原子理论理论相符。然后，在1920年他们改进了原实验装置，提高了分辨率，通过更精确的实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔的原子理论提供了强有力的证据。以下就是他们改进后的实验装置：

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F-H实验原理图

可以看到，本实验对阴极射线管做了一个重大的改动，而正是这个改动促使了弗兰克—赫兹实验的成功：他们在阴极射线管中增加第二个栅极——G2。这个栅极是挨着阳极绕的。把原先加在阳极的正高压加到G2上，在G2和阳极之间加一个小小的反向电压，使阳极保持对阴极相对的正高压，使发射电子一定要飞向阳极。不过发射电子只有通过G2上稍微高一点的电压的屏障才能到达阳极。这样，只有跑得快的电子才能到达阳极。如果发射电子在G2附近没有什么速度，它就要转弯被G2吸引，跑不到阳极上了。所以这个小反向电压起到了区分快电子和慢电子的作用。

通过对阴极射线管的这个改造，他们成功地进行了实验。不过，依据当时已经掌握的理论（非玻尔的假设），阳极电压越高，对阴极的吸引力就越大，阳极电流应该增加。但实际的操作中他们发现：阳极电压增加，阳极电流不是简单地增加，而且是会出现周期性的增减，而且这个周期与恰好为汞原子的第一激发能。实验中测得的I-U关系图线如下页的图示。

对以上现象可做如下解释：

当加速电压U从零开始增大时，电流I也随之增大，表示电子动能增加，到达阳极的电子数目必随之增多。这说明电子在飞行途中尽管会与管内的汞原子碰撞，但不损失能量，是弹性碰撞。当I增大到汞原子的第一激发电位 时，这时在栅极G₂附近的电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量传递给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能穿越减速电场到达阳极，即到达阳极的电子数目减少，所以I开始下降。继续增大U，电流I又逐渐回升，这说明电子与汞原子碰撞后的剩余能量尚能使电子穿越减速电场而到达阳极。当U

              弗兰克—赫兹实验I-U曲线

增大到 时，I又转为下降，说明电子与汞原子发生了第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到减速电场的阻挡而不能达到阳极，电流I再度下降。同样的道理，随着加速电压U的继续增大，电子会在栅极G₂附近发生第三次、第四次、…非弹性碰撞，从而引起电流I的相应下跌，形成具有规则起伏的I-U曲线。可见，加速电压凡满足U=nU。（n=1,2,3……）时，电流I就会出现极小值。

这很好得证明了玻尔的假设，正是凭借这个实验及其所得出的结论，弗兰克和赫兹共同获得1925年诺贝尔物理学奖。

上面讨论的就是本学期课程中与阴极射线管有关的三个重要实验，不难看出这三个实验之间有着千丝万缕的联系：从光电效应到X光的发现，几乎就是只需要把两极之间的电压提高几千伏；而X光实验与弗兰克—赫兹实验除了相差一个挨着阳极绕的栅极外几乎就是完全相同，只不过后者中所加的电压不仅不能激发内层电子，甚至不足以激发外层电子。然而，就是在相差如此微小的情况下，从光电效应到X光发现用了7年，从X光发现到弗兰克—赫兹实验用了19年。所以，科学研究之路是异常艰辛的，从一个重大发现到另一个重大发现之间虽然往往只有几步路要走，但要能够迈出这几步所需要付出的却是一代代科学家的不懈努力。更重要的是，在这过程中必须要有细致入微、不放过任何细节的精神和超出常人的毅力、勇气，这样才能够一直沿着正确的方向走下去。

这对我们也是一个启示：要想在学习，工作和科研中有所成就，就必须善于发现，敢于创新，并能够为自己所认为正确的东西坚持不懈地努力直至达到既定的目标。

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